Характерные особенности изменения реологических свойств водно-зерновых суспензий в процессе водно-тепловой и ферментативной обработки (ВТФО) зернового сырья
УДК 637.143
Характерные особенности изменения реологических свойств водно-зерновых суспензий в процессе водно-тепловой и ферментативной обработки (ВТФО) зернового сырья
Новоселов А.Г., Чеботарь А.В., Ибрагимов Т.С.
dekrosh@mail.ru
Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики.
Институт холода и биотехнологий
Представлены результаты исследования реологических характеристик водно-зерновых суспензий. Получены данные по изменению коэффициента эффективной вязкости суспензии с гидромодулем 1:2,5 в зависимости от температуры и скорости сдвига при отсутствии ферментных препаратов. Ключевые слова: ВТФО, реология, водно-зерновая суспензия, эффективная вязкость
Необходимость проведения реологических исследований водно-зерновых суспензий обусловлена стремлением более глубокого понимания физических явлений происходящих в процессе водно-тепловой, ферментативной их обработки. Только на основе достоверных данных по физико-механическим свойствам обрабатываемого сырья в различных аппаратах возможно создание оптимальной конструкции, в которой технологические процессы будут проводиться наиболее эффективно.
В последнее время большое внимание со стороны отечественных исследователей уделяется производству этанола из ячменного зерна [1 – 6].
Однако большинство работ посвящено изучению влияния различных ферментных препаратов и их дозировки на выход этанола [4], предварительной подготовке зерна к ВТФО путем воздействия на него инфракрасным излучением [4,6], поиску новых способов проведения ВТФО и их аппаратурного оформления [5].
Практически все упомянутые выше публикации, в той или иной мере, отмечают существенное возрастание вязкости водно-зерновых суспензий в процессе ВТФО, независимо от того, в аппарате какой конструкции и в каком рабочем режиме этот процесс проводился. Эта проблема становится более острой в виду стремления проводить ВТФО при низких гидромодулях, т.е. с высоким содержанием твердой фазы в заторе, и с наименьшими энергетическими затратами, в первую очередь, тепловыми.
Для того чтобы найти наиболее эффективное решение необходимо понять явления, происходящие в суспензионных потоках, возникающих в каналах технологических аппаратов и коммуникационных трубопроводах.
1
Одним из методов познания является системный анализ физических процессов происходящих при ВТФО зернового сырья, включающий в себя проведение комплексных реологических исследований.
Анализ научных публикаций по реологическим характеристикам воднозерновых суспензий [1, 4 – 6] показывает, что представленные данные носят крайне поверхностный характер, т.к. большинство исследователей не ставили своей задачей получение расчетных зависимостей для предсказания коэффициентов эффективной вязкости в широком диапазоне изменяющихся исходных параметров зерна и рабочих параметров процесса. В основном ставилась задача получить данные по относительному снижению эффективной вязкости суспензии при применении того или иного ферментного препарата, того или иного температурного режима и т.п.
Проведенные нами предварительные исследования реологических характеристик водно-зерновых суспензий, без применения каких-либо ферментных препаратов в диапазоне изменения температуры от 20оС до 90оС, позволили получить некоторые общие закономерности изменения эффективной вязкости при начальной концентрации твердой фазы в суспензии и скорости сдвига. Все представленные ниже результаты исследований были выполнены на ротационном вискозиметре марки R2. Диапазон изменения скорости сдвига составлял 1 ÷ 437,4 с-1.
В отличие от ранее опубликованных нами данных в работе [2, 3] эксперименты проводились по измененной методике. В работе [2] эксперимент проводился следующим образом. Заранее подготовленная к реологическим измерениям проба водно-зерновой суспензии в объеме 30 мл помещалась в измерительный цилиндр и имела начальную температуру 20оС. Во всех экспериментах в качестве зернового сырья использовался измельченный ячмень со 100 %-ым проходом через сито с отверстиями 1 мм.
При этой температуре для каждого значения скорости сдвига (конструкция реотеста R2 позволяла устанавливать 12 фиксированных значений сдвига) определяли эфф. Изменение скорости сдвига вели от меньших к большим
значениям. Более того, при достижении максимального значения скорости сдвига начинали снижать значения при данной температуре. При достижении первоначального значения скорости сдвига =1 с-1 первый цикл измерений заканчивался, увеличивалась температура суспензии на 10 оС и эксперимент продолжался в той же последовательности. Длительность полного цикла измерений составляла ориентировочно 4 часа 36 минут. Она складывалась из длительности измерений каждого цикла, характеризующегося постоянной температурой – 24 минуты, в указанном диапазоне температур таких циклов 8 и времени необходимого для перехода на следующий температурный режим между циклами – около 12 минут.
В данной серии экспериментов методика их проведения заключалась в следующем. Устанавливались минимальная скорость сдвига =1с-1 и минимальная температура – 20оС. Снималось значение эфф, которое мы
2
назвали начальной эфф. Затем, при этой же скорости сдвига изменялась температура суспензии на 1оС и, вновь фиксировалось эфф. Время проведения каждого измерения эфф строго фиксировалось по секундомеру. Таким образом, один цикл измерений представлял собой набор значений эфф при постоянной скорости сдвига, но при разных температурах. Следующий цикл проводился в той же последовательности, но при другом большем значении . При этом проба того же гидромодуля готовилась заново. В этой серии опытов были измерены значения эфф при тех же скоростях сдвига, что и в предыдущей серии экспериментов.
Такая постановка эксперимента позволила исключить влияние изменения величины скорости сдвига на структурно-механические свойства суспензии в процессе нагрева.
Практический интерес представляют значения эффективной вязкости на этапе загрузки зернового материала в аппарат. Обычно формирование затора производится исходя из заданного значения гидромодуля. Учитывая общие тенденции промышленности к проведению ВТФО при низких значениях гидромодуля, т.е. при гидромодуле 1:2,5, (массовое отношение зерна и воды равно 1кг измельченного зерна на 2,5 кг воды, что соответствует массовой концентрации суспензии 0,4 кг/кг) ниже представлены данные именно для этого гидромодуля. При этом температура сформированного затора (начальная температура) была принята 20оС. Таким образом, будем считать, что именно с этой температуры водно-зерновая суспензия (затор) начинает подвергаться ВТФО.
Ниже представлены результаты наших исследований двух серий экспериментов, выполненных по двум вышеупомянутым методикам. Обращаем внимание читателя на то, что в обеих сериях экспериментов, разжижающие ферменты не вносились. Ставилась задача оценить изменение величины эфф только от температуры и, возможно, других физических факторов.
Графическая обработка полученных данных по изменению эфф от температуры при постоянной скорости сдвига представлена на рис.1.
3
Рис.1. Зависимость эфф от температуры t при скорости сдвига = 3 с-1
гидромодуль 1:2,5 (вода измельченный ячмень)
Представленный на рис.1 характер изменения эфф от температуры наблюдался для всех исследованных скоростей сдвига. Анализ кривых течения показывает наличие трех характерных зон плавно переходящих одна в другую по мере увеличения температуры. Первая зона (область температур 20÷50оС) характеризуется небольшим снижением эфф по мере увеличения температуры. В этой области суспензия представляет собой классическую двухфазную смесь (жидкость - твердая фаза). Это можно объяснить снижением вязкости воды с повышением температуры. Темп снижения постепенно вырождается с повышением температуры до 50оС. Такое поведение кривых можно объяснить противоположным влиянием на эфф температуры и концентрации водорастворимых веществ, перешедших из зерна в воду. Вторая зона (область температур примерно 50÷59оС) характеризуется постоянным значением эфф. Для разных скоростей сдвига температурные границы были различны, но все они входили в указанный выше диапазон. Третья область характеризовалась резким повышением вязкости суспензии. Выполненные исследования по второй методике позволили с достаточной степенью точности определить температуру начала процесса клейстеризации tкл, которая лежала в диапазоне 52÷59оС для всех исследованных скоростей сдвига. С этого момента начинается активное разжижение крахмальных зерен. Они становятся вязко-пластичными и активно разбухают, частично растворяясь в воде. Таким образом, двухфазная смесь с ярко выраженной твердой фазой превращается в аморфную, гелеобразную жидкость с уменьшающейся в размерах твердой фазой, что собственно и приводит к резкому увеличению эфф. Диапазон температур, характеризующий третью область, лежит в пределах tкл ÷ tmax . Значения tmax были определены в экспериментах выполненных по первой методике. Для
4
большинства значений скоростей сдвига численные значения tmax лежали в районе 85оС. В дальнейшем происходило снижение значений эфф.
Таким образом, можно констатировать, что в процессе ВТФО можно выделить три реперных значения эфф позволяющих контролировать процесс ВТФО. Это начальная вязкость затора при температуре складки ,эфф1 минимальное значение эфф2 во второй зоне кривой течения и максимальное значение эфф3 в третьей зоне кривой течения. Численные значения эфф в реперных точках кривой течения различны и зависят от величины гидромодуля и скорости сдвига. Для гидромодуля 1:2,5 величина начальной эфф1 была определена нами на основании результатов наших экспериментов по обеим методикам. Графическая обработка результатов этих экспериментов приведена на рис.2.
Рис.2. Зависимость начальной эфф от скорости сдвига при температуре 20оС для
гидромодуля 1:2,5
Как видно из рис. 2, на вязкость суспензии сильно влияет скорость сдвига. С увеличением скорости сдвига значение эффективной вязкости существенно уменьшается. При увеличении скорости сдвига от 1с-1 до 437с-1 значения эфф уменьшается от 25 Па·с до 0,2 Па·с. Таким образом можно предположить, что складку затора целесообразно вести в условиях интенсивного движения суспензии или перемешивания. Спрогнозировать начальные значения эфф для гидромодуля 1:2,5 при заданной скорости сдвига можно по эмпирическому уравнению, Па·с
5
где γ – скорость сдвига, с-1
эфф1
22,5 0,76
Список литературы:
1. Громов С.И. Прогрессивная теплоэнергосберегающая схема механикоферментативной обработки сырья для спиртовых заводов малой мощности //Ликероводочное производство и виноделие. – 2011. №3, С. 7– 10
2. Ибрагимов Т.С. Реологические характеристики зерновых суспензий в процессе механико-ферментативной обработки / Ибрагимов Т.С., Чеботарь А.В., Свинцов Д.В., Новоселов А.Г. // Научный журнал СПбНИУ ИТМО [Электронный ресурс]. - Санкт-Петербург: СПб НИУИТМО, 2012. - №2. - сентябрь. – Режим доступа: http://www.openmechanics.com/journals
3. Ибрагимов Т.С. Исследование теплофизических свойств зерновых суспензий в процессе механико-ферментативной обработки / Ибрагимов Т.С., Чеботарь А.В., Новоселов А.Г. // Научный журнал СПбНИУ ИТМО [Электронный ресурс]. - Санкт-Петербург: СПб НИУИТМО, 2012. - №2. сентябрь. – Режим доступа: http://www.open-mechanics.com/journals
4. Крикунова Л.Н., Сумина Л.И. Технология этанола на основе получения и сбраживания концентрированного сусла из ИК-обработанного ячменя. Часть 1. Подбор мультиэнзимной композиции // Хранение и переработка сельхозсырья. – 2009. №2, С. 51-54
5. Степанов В.И., Римарева Л.В., Иванов В.В. и др. Комплексная переработка зернового сырья и фильтрата барды по одностадийной экструзионно-гидролитической технологии. // Производство спирта и ликероводочных изделий. – 2011. № 1, С. 4–6.
6. Филатов В.В. и др. Инфракрасные технологии в переработке зернового сырья. // Хранение и переработка сельхозсырья. – 2008. №8, С. 76-78
6
The features of changing the rheological properties of the water-grain suspense during the water-heating and ferment treatment (WHFT) Novoselov A.G., Chebotar A.V, Ibragimov T.S.
Saint-Petersburg National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics.
Institute of Refrigeration and Biotechnologies
In the article are shown results on studying of water-grain suspense rheological properties. Received results on changeover of the effective viscosity factor of the suspense with hydro module 1:2,5 depends on temperature and rate without ferments. Key words: water-heat and ferment treatment (WHFT), rheology, water-grain suspense, effective viscosity
7
Характерные особенности изменения реологических свойств водно-зерновых суспензий в процессе водно-тепловой и ферментативной обработки (ВТФО) зернового сырья
Новоселов А.Г., Чеботарь А.В., Ибрагимов Т.С.
dekrosh@mail.ru
Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики.
Институт холода и биотехнологий
Представлены результаты исследования реологических характеристик водно-зерновых суспензий. Получены данные по изменению коэффициента эффективной вязкости суспензии с гидромодулем 1:2,5 в зависимости от температуры и скорости сдвига при отсутствии ферментных препаратов. Ключевые слова: ВТФО, реология, водно-зерновая суспензия, эффективная вязкость
Необходимость проведения реологических исследований водно-зерновых суспензий обусловлена стремлением более глубокого понимания физических явлений происходящих в процессе водно-тепловой, ферментативной их обработки. Только на основе достоверных данных по физико-механическим свойствам обрабатываемого сырья в различных аппаратах возможно создание оптимальной конструкции, в которой технологические процессы будут проводиться наиболее эффективно.
В последнее время большое внимание со стороны отечественных исследователей уделяется производству этанола из ячменного зерна [1 – 6].
Однако большинство работ посвящено изучению влияния различных ферментных препаратов и их дозировки на выход этанола [4], предварительной подготовке зерна к ВТФО путем воздействия на него инфракрасным излучением [4,6], поиску новых способов проведения ВТФО и их аппаратурного оформления [5].
Практически все упомянутые выше публикации, в той или иной мере, отмечают существенное возрастание вязкости водно-зерновых суспензий в процессе ВТФО, независимо от того, в аппарате какой конструкции и в каком рабочем режиме этот процесс проводился. Эта проблема становится более острой в виду стремления проводить ВТФО при низких гидромодулях, т.е. с высоким содержанием твердой фазы в заторе, и с наименьшими энергетическими затратами, в первую очередь, тепловыми.
Для того чтобы найти наиболее эффективное решение необходимо понять явления, происходящие в суспензионных потоках, возникающих в каналах технологических аппаратов и коммуникационных трубопроводах.
1
Одним из методов познания является системный анализ физических процессов происходящих при ВТФО зернового сырья, включающий в себя проведение комплексных реологических исследований.
Анализ научных публикаций по реологическим характеристикам воднозерновых суспензий [1, 4 – 6] показывает, что представленные данные носят крайне поверхностный характер, т.к. большинство исследователей не ставили своей задачей получение расчетных зависимостей для предсказания коэффициентов эффективной вязкости в широком диапазоне изменяющихся исходных параметров зерна и рабочих параметров процесса. В основном ставилась задача получить данные по относительному снижению эффективной вязкости суспензии при применении того или иного ферментного препарата, того или иного температурного режима и т.п.
Проведенные нами предварительные исследования реологических характеристик водно-зерновых суспензий, без применения каких-либо ферментных препаратов в диапазоне изменения температуры от 20оС до 90оС, позволили получить некоторые общие закономерности изменения эффективной вязкости при начальной концентрации твердой фазы в суспензии и скорости сдвига. Все представленные ниже результаты исследований были выполнены на ротационном вискозиметре марки R2. Диапазон изменения скорости сдвига составлял 1 ÷ 437,4 с-1.
В отличие от ранее опубликованных нами данных в работе [2, 3] эксперименты проводились по измененной методике. В работе [2] эксперимент проводился следующим образом. Заранее подготовленная к реологическим измерениям проба водно-зерновой суспензии в объеме 30 мл помещалась в измерительный цилиндр и имела начальную температуру 20оС. Во всех экспериментах в качестве зернового сырья использовался измельченный ячмень со 100 %-ым проходом через сито с отверстиями 1 мм.
При этой температуре для каждого значения скорости сдвига (конструкция реотеста R2 позволяла устанавливать 12 фиксированных значений сдвига) определяли эфф. Изменение скорости сдвига вели от меньших к большим
значениям. Более того, при достижении максимального значения скорости сдвига начинали снижать значения при данной температуре. При достижении первоначального значения скорости сдвига =1 с-1 первый цикл измерений заканчивался, увеличивалась температура суспензии на 10 оС и эксперимент продолжался в той же последовательности. Длительность полного цикла измерений составляла ориентировочно 4 часа 36 минут. Она складывалась из длительности измерений каждого цикла, характеризующегося постоянной температурой – 24 минуты, в указанном диапазоне температур таких циклов 8 и времени необходимого для перехода на следующий температурный режим между циклами – около 12 минут.
В данной серии экспериментов методика их проведения заключалась в следующем. Устанавливались минимальная скорость сдвига =1с-1 и минимальная температура – 20оС. Снималось значение эфф, которое мы
2
назвали начальной эфф. Затем, при этой же скорости сдвига изменялась температура суспензии на 1оС и, вновь фиксировалось эфф. Время проведения каждого измерения эфф строго фиксировалось по секундомеру. Таким образом, один цикл измерений представлял собой набор значений эфф при постоянной скорости сдвига, но при разных температурах. Следующий цикл проводился в той же последовательности, но при другом большем значении . При этом проба того же гидромодуля готовилась заново. В этой серии опытов были измерены значения эфф при тех же скоростях сдвига, что и в предыдущей серии экспериментов.
Такая постановка эксперимента позволила исключить влияние изменения величины скорости сдвига на структурно-механические свойства суспензии в процессе нагрева.
Практический интерес представляют значения эффективной вязкости на этапе загрузки зернового материала в аппарат. Обычно формирование затора производится исходя из заданного значения гидромодуля. Учитывая общие тенденции промышленности к проведению ВТФО при низких значениях гидромодуля, т.е. при гидромодуле 1:2,5, (массовое отношение зерна и воды равно 1кг измельченного зерна на 2,5 кг воды, что соответствует массовой концентрации суспензии 0,4 кг/кг) ниже представлены данные именно для этого гидромодуля. При этом температура сформированного затора (начальная температура) была принята 20оС. Таким образом, будем считать, что именно с этой температуры водно-зерновая суспензия (затор) начинает подвергаться ВТФО.
Ниже представлены результаты наших исследований двух серий экспериментов, выполненных по двум вышеупомянутым методикам. Обращаем внимание читателя на то, что в обеих сериях экспериментов, разжижающие ферменты не вносились. Ставилась задача оценить изменение величины эфф только от температуры и, возможно, других физических факторов.
Графическая обработка полученных данных по изменению эфф от температуры при постоянной скорости сдвига представлена на рис.1.
3
Рис.1. Зависимость эфф от температуры t при скорости сдвига = 3 с-1
гидромодуль 1:2,5 (вода измельченный ячмень)
Представленный на рис.1 характер изменения эфф от температуры наблюдался для всех исследованных скоростей сдвига. Анализ кривых течения показывает наличие трех характерных зон плавно переходящих одна в другую по мере увеличения температуры. Первая зона (область температур 20÷50оС) характеризуется небольшим снижением эфф по мере увеличения температуры. В этой области суспензия представляет собой классическую двухфазную смесь (жидкость - твердая фаза). Это можно объяснить снижением вязкости воды с повышением температуры. Темп снижения постепенно вырождается с повышением температуры до 50оС. Такое поведение кривых можно объяснить противоположным влиянием на эфф температуры и концентрации водорастворимых веществ, перешедших из зерна в воду. Вторая зона (область температур примерно 50÷59оС) характеризуется постоянным значением эфф. Для разных скоростей сдвига температурные границы были различны, но все они входили в указанный выше диапазон. Третья область характеризовалась резким повышением вязкости суспензии. Выполненные исследования по второй методике позволили с достаточной степенью точности определить температуру начала процесса клейстеризации tкл, которая лежала в диапазоне 52÷59оС для всех исследованных скоростей сдвига. С этого момента начинается активное разжижение крахмальных зерен. Они становятся вязко-пластичными и активно разбухают, частично растворяясь в воде. Таким образом, двухфазная смесь с ярко выраженной твердой фазой превращается в аморфную, гелеобразную жидкость с уменьшающейся в размерах твердой фазой, что собственно и приводит к резкому увеличению эфф. Диапазон температур, характеризующий третью область, лежит в пределах tкл ÷ tmax . Значения tmax были определены в экспериментах выполненных по первой методике. Для
4
большинства значений скоростей сдвига численные значения tmax лежали в районе 85оС. В дальнейшем происходило снижение значений эфф.
Таким образом, можно констатировать, что в процессе ВТФО можно выделить три реперных значения эфф позволяющих контролировать процесс ВТФО. Это начальная вязкость затора при температуре складки ,эфф1 минимальное значение эфф2 во второй зоне кривой течения и максимальное значение эфф3 в третьей зоне кривой течения. Численные значения эфф в реперных точках кривой течения различны и зависят от величины гидромодуля и скорости сдвига. Для гидромодуля 1:2,5 величина начальной эфф1 была определена нами на основании результатов наших экспериментов по обеим методикам. Графическая обработка результатов этих экспериментов приведена на рис.2.
Рис.2. Зависимость начальной эфф от скорости сдвига при температуре 20оС для
гидромодуля 1:2,5
Как видно из рис. 2, на вязкость суспензии сильно влияет скорость сдвига. С увеличением скорости сдвига значение эффективной вязкости существенно уменьшается. При увеличении скорости сдвига от 1с-1 до 437с-1 значения эфф уменьшается от 25 Па·с до 0,2 Па·с. Таким образом можно предположить, что складку затора целесообразно вести в условиях интенсивного движения суспензии или перемешивания. Спрогнозировать начальные значения эфф для гидромодуля 1:2,5 при заданной скорости сдвига можно по эмпирическому уравнению, Па·с
5
где γ – скорость сдвига, с-1
эфф1
22,5 0,76
Список литературы:
1. Громов С.И. Прогрессивная теплоэнергосберегающая схема механикоферментативной обработки сырья для спиртовых заводов малой мощности //Ликероводочное производство и виноделие. – 2011. №3, С. 7– 10
2. Ибрагимов Т.С. Реологические характеристики зерновых суспензий в процессе механико-ферментативной обработки / Ибрагимов Т.С., Чеботарь А.В., Свинцов Д.В., Новоселов А.Г. // Научный журнал СПбНИУ ИТМО [Электронный ресурс]. - Санкт-Петербург: СПб НИУИТМО, 2012. - №2. - сентябрь. – Режим доступа: http://www.openmechanics.com/journals
3. Ибрагимов Т.С. Исследование теплофизических свойств зерновых суспензий в процессе механико-ферментативной обработки / Ибрагимов Т.С., Чеботарь А.В., Новоселов А.Г. // Научный журнал СПбНИУ ИТМО [Электронный ресурс]. - Санкт-Петербург: СПб НИУИТМО, 2012. - №2. сентябрь. – Режим доступа: http://www.open-mechanics.com/journals
4. Крикунова Л.Н., Сумина Л.И. Технология этанола на основе получения и сбраживания концентрированного сусла из ИК-обработанного ячменя. Часть 1. Подбор мультиэнзимной композиции // Хранение и переработка сельхозсырья. – 2009. №2, С. 51-54
5. Степанов В.И., Римарева Л.В., Иванов В.В. и др. Комплексная переработка зернового сырья и фильтрата барды по одностадийной экструзионно-гидролитической технологии. // Производство спирта и ликероводочных изделий. – 2011. № 1, С. 4–6.
6. Филатов В.В. и др. Инфракрасные технологии в переработке зернового сырья. // Хранение и переработка сельхозсырья. – 2008. №8, С. 76-78
6
The features of changing the rheological properties of the water-grain suspense during the water-heating and ferment treatment (WHFT) Novoselov A.G., Chebotar A.V, Ibragimov T.S.
Saint-Petersburg National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics.
Institute of Refrigeration and Biotechnologies
In the article are shown results on studying of water-grain suspense rheological properties. Received results on changeover of the effective viscosity factor of the suspense with hydro module 1:2,5 depends on temperature and rate without ferments. Key words: water-heat and ferment treatment (WHFT), rheology, water-grain suspense, effective viscosity
7