Материал: Технологии производства пищи

Диспергирование при высоких мех. нагрузках, особенно твердых тел, часто сопровождается физ. и хим. процессами, приводящими к глубоким изменениям состава, структуры и свойств этих тел (см. Механохимия). В случае достаточно сильного понижения удельной своб. поверхностной энергии на границе фаз благодаря воздействию ПАВ или повышению энергии теплового движения диспергирование может происходить самопроизвольно. Такое диспергирование наблюдается вблизи критич. температуры смешения двух жидкостей, при получении смазочно-охлаждающих жидкостей из эмульсолов, при образовании водных дисперсий некоторых гидрофильных минералов (об условиях самопроизвольного диспергирования подробно см. Дисперсные системы).

В зависимости от состава и свойств диспергируемой фазы и дисперсионной среды, а также способа диспергирование ниж. граница размеров частиц измельченного тела может находиться в пределах от неск. десятков до неск. десятых долей мкм, при самопроизвольном диспергирование составляет неск. нм. Дисперсный состав измельченных фаз определяют методами дисперсионного анализа.

Диспергирование широко применяют в произ-ве дисперсных материалов для приготовления изделий по порошковой технологии, минер. вяжущих веществ, полимерных материалов, пигментов, красителей, разл. орг. веществ, пищ. продуктов и лек. препаратов, а также для активации веществ в твердом состоянии. Интенсивное диспергирование горных пород происходит при бурении нефтяных и газовых скважин, абразивном износе деталей машин и механизмов. В прир. условиях диспергирование сопровождает тектонич. процессы, выветривание горных пород, почвообразование.

Измельчение

Измельчение - процесс увеличения поверхности твердых материалов путем их раздавливания, раскатывания, истирания и удара. В пищевой промышленности применяют с целью повышения скорости биохимических и диффузионных процессов при переработке фруктов, овощей и т. д. А также в переработке пищевых отходов. Измельчение широко используют в мукомольном, мясном, свеклосахарном, спиртовом, пивоварном, консервном и др. производствах.

Процессы измельчения связаны с затратой большого количества энергии. Расход энергии на измельчение может быть определен из следующих теорий измельчения.

Поверхностная теория исходит из того что при измельчении работа расходуется на преодоление сил молекулярного притяжения по поверхностям разрушения материала. Из этой теории следует, что работа, необходимая для измельчения, пропорциональна вновь образующейся поверхности измельчаемого материала.

Объемная теория - при измельчении работа расходуется на деформации материала до достижения предельной разрушающей деформации. Отсюда следует, что работа необходимая для измельчения пропорциональна уменьшению объема кусков материала перед их разрушением.

Полная работа внешних сил выражается уравнением РЕБИНДЕРА

А=Ад + Ап = К1 dV + K2dF,

Где А - работа, затрачиваемая на деформацию объема разрушаемого куска, Дж; Ап - работа затрачиваемая на образование новой поверхности, Дж; К1 - коэффициент пропорциональности равный работе деформирования единицы объема тела; dV - изменение объема разрушаемого тела; К2 - коэффициент пропорциональности равный работе затрачиваемой на образование единицы новой поверхности; dF - приращение вновь образованной поверхности.

На основе закона Гука работу деформации (в Н*м) материала при сжатии можно определить по соотношению

Ад = б2dv/2E

Где б - разрушающее напряжение сжатия, Н/м; dV - уменьшение объема кусков материала в результате их деформации перед разрушением, м3; Е- модуль упругости материала, Н/м2

Как видно из этого уравнения работа затрачиваемая на разрушение материала зависит от разрушающего напряжения и модуля упругости материала.

Получаем

А = [б2dV/(2E0] + К2dF

В случае крупного дробления с малой степенью измельчения можно пренебречь работой, затрачиваемой на образование новой поверхности и учитывая что dV эквивалентно Dв3 получим

А=К1dV = К'1Dв3

Где Dв3 - размер куска.

Это уравнение выражает гипотизу Кика-Кирпичева - работа дробления пропорциональна объему дробимого куска.

Для дробления с большой степенью измельчения можно пренебречь работой, затрачиваемой на деформирование объема куска.

Тогда учитывая что dF эквивалентно Dв2

А= К2dF = K'2Dв2

Это уравнение является выражением гипотезы РИТТИНГЕРА согласно которой работа дробления пропорциональна величине вновь образованной при дроблении поверхности.

Основные положения теории подобия формулируются в виде трех теорем

Первая теорема подобия: подобные между собою явления имеют одинаковые критерии подобия.

Вторая теорема подобия: зависимость между переменными, характеризующими явление, может быть представлена в виде зависимости между критериями подобия K1, K2, ..., Kn

f(K1, K2, ..., Kn) = 0

Зависимость называется критериальным уравнением. Помимо критериев подобия в это уравнение могут входить так называемые симплексы - безразмерные отношения однородных физических величин.

Третья теорема подобия: подобны те явления, условия, однородности которых подобны, и критерии, составленные из условий однозначности, численно одинаковы.

Условия однозначности состоят из начальных и граничных условий задачи, или краевых условий. Критерии, полученные из этих условий, называются определяющими.

Возможна такая формулировка третьей теоремы подобия: явления подобны, если определяющие критерии инвариантны (одинаковы).

Критерии, составленные из величин, не входящих в условия однозначности, называются не определяющими. Когда устанавливается подобие, то не определяющие критерии сами собой получаются также одинаковыми. Это следствие установившегося подобия.

Следовательно, теория подобия позволяет, не интегрируя дифференциальных уравнений, получить из них критерии подобия и из опытных данных установить критериальные зависимости, последние будут справедливы для всех подобных между собою процессов.

В начале главы в разделе (15.1) были сформулированы основные три вопроса, которые стоят перед экспериментатором. Теперь можно дать ответ на эти вопросы.

На первый - о том, какие величины надо измерять в опыте - отвечает первая теорема подобия: в опытах надо измерять величины, которые содержатся в критериях подобия изучаемого явления.

На второй вопрос - как обрабатывать результаты опыта - отвечает вторая теорема подобия: результаты опытов надо представлять в виде критериальных зависимостей.

На третий вопрос - какие явления подобны - ответ дает третья теорема подобия: подобны те явления, у которых подобны условия однозначности и равны определяющие критерии.

Мембранный метод разделения жидкостных систем

Мембранная технология - принцип организации и осуществления процесса разделения веществ через полупроницаемую перегородку. Он отличается отсутствием поглощения разделяемых компонентов и низкими энергетическими затратами на процесс разделения.

Методы мембранного разделения нашли широкое применение в процессе разделения изомеров. Разделение осуществляется благодаря результирующему влиянию факторов - отношения коэффициентов диффузии и отношения коэффициентов растворимости. Совместное влияние этих величин может быть существенным даже в случае близких веществ. Например, молекулы орто-, мета- и параизомеров ксилола имеют различную площадь поперечного сечения и различные диффузии через полиэтиленовую пленку. Изменяя коэффициент диффузии путем обработки растворителем, нагреванием и тому подобное, можно добиться еще большей разницы и более эффективного разделения веществ.

Аналогичным образом можно разделить растворы сахарозы и глюкозы, а также других Сахаров. В этом случае разделение происходит в основном за счет разницы в значениях коэффициентов диффузии. Примером могут служить отделение глюкозы от сахарозы селективным диализом. В связи с тем что эти вещества имеют свою собственную скорость диализа, смесь двух компонентов хорошо разделяется.

Применяются мембранные методы для получения особо чистых химических реактивов, соединений, селективного выделения ценных либо вредных продуктов реакции. Используемые мембраны называют реакционными. Они могут сочетать функции разделителей на нескольких стадиях производства и собственно химического реактора. Приготовление реакционной мембраны требует нагрузки селективной мембраны соответствующими химическими реагентами, катализаторами, ферментами. Техника жидких мембран позволяет легко вводить в мембрану химические вещества с требуемыми свойствами. Использование мембран с фиксированными ферментами приводит к легкому отделению ферментов. Эти мембраны могут применяться повторно, позволяя эффективнее организовать непрерывный ферментный процесс.

Баромембранные процессы (обратный осмос, ультрафильтрация. микрофильтрация) обусловлены градиентомдавления по толщине мембран, в осн. полимерных, и используются для разделения растворов и коллоидных систем при 5-30 °С. Первые два процесса принципиально отличаются от обычного фильтрования. Если при нем продукт откладывается в виде кристаллич. или аморфного осадка на пов-сти фильтра, то при обратном осмосе и ультрафильтрации образуются два раствора, один из которых обогащен растворенным веществом. В этих процессах накопление данного вещества у пов-сти мембраны недопустимо, т.к. приводит к снижению селективности и проницаемости мембраны (о различии между микрофильтрацией и фильтрованием см. ниже).