Исследование динамической вязкости концентратов ячменного солода и цикория

На сегодняшний день современная пищевая промышленность активно производит и использует быстрорастворимые порошкообразные полуфабрикаты, которые получают путём сушки концентратов, экстрактов и смесей.

Большой популярностью у потребителей пользуются быстрорастворимые напитки на основе цикорного концентрата, а в кондитерском производстве набирает популярность концентрат ячменного солода в жидком или порошкообразном виде. При производстве таких полуфабрикатов на стадии сушки распылением необходимо знать характер изменения вязкости распыляемого жидкого продукта в исследуемых интервалах температур и скорости течения по цилиндрическому каналу форсунки.

• 1.1    Материалы и методы исследования

Для исследования динамической вязкости был использован измерительный комплекс, включающий в себя ротационный вискозиметр Rheotest II, водяной термостат, компенсационный самопишущий прибор КСП – 4, аналогово-цифровой преобразовательный модуль Laurent и персональный компьютер, что позволяет фиксировать в режиме реального времени (на ленте прибора КСП – 4) и в виде графических файлов в формате jpg (в памяти персонального компьютера) зависимость выходного сигнала (α) измерительного прибора Rhеоtеst II (рисунок 1), который позволяет в лабораторных условиях фиксировать кривые текучести в больших диапазонах напряжений сдвига и скоростей сдвига, а также измерять структурную вязкость, дила-танцию, тиксотропию и реопексию [6, 7].

Параметры проведения реологических исследований максимально приближены идентичным параметрам течения жидкости в узлах диспергирования установок для распылительной сушки. Исследования проводили при температурах термостатирования продуктов: 35, 55, 75 ˚С. Градиент скорости сдвига изменялся от 1,0 с-1 до 27,0 с-1, а количество сухих веществ раствора варьировалось с 20 до 80% с шагом 20%.

По диаграммам, полученным в ходе экспериментов была найдена величина α (изменяется от 1 до 100). По таблице, прилагаемой к паспорту прибора выбирали значение константы прибора в зависимости от соответствующих условий измерения. Затем, по формулам 1 и 2 рассчитывали касательные напряжения τ, Па и величину эффективной динамической вязкости ƞ, Па ⋅ с [1].

τ = z ⋅ α (1)

η = ^τ (2) ^γ

АЦП

Рисунок 1. Измерительный комплекс: 1 – Rheotest II, 2 – водяной термостат, 3 – компенсационный самопишущий прибор КСП – 4, 4 – аналогово-цифровой преобразовательный модуль Laurent, 5 – персональный компьютер

Figure 1. Measuring complex: 1 – Rheotest II, 2 – water thermostat, 3 – compensating recorder KSP – 4, 4 – analog-to-digital converter module Laurent, 5 – personal computer

• 1.2    Полученные результаты и их обсуждение

В результате проведённых исследований построены реологические зависимости для концентрата ячменного солода (КЯС) (рисунок 2) и цикорного концентрата (ЦК) (рисунок 3) с содержанием сухих веществ 20, 40, 60 и 80%.

a)

b)

c)

d)

e)

γ [c-1].

f)

g) h)

Рисунок 2. Реологические характеристики концентрата ячменного солода спустя 8–12 с. с момента приложения нагрузки: a, b – СВ = 80%; c, d – СВ = 60%; e, f – СВ = 40%; g, h – СВ = 20%; a, c, e, g – зависимости эффективной вязкости от скорости сдвига (1 – 35˚С, 2 – 55˚С, 3 – 75˚С.), b, d, f, h – зависимость касательных напряжений от скорости сдвига (1 – 35˚С, 2 – 55˚С, 3 – 75˚С)

Figure 2. The rheological characteristics of aqueous solutions barley malt concentrate after 8–12 seconds after applied velocity gradient: a, b – DM = 80%; c, d – DM = 60%; e, f – DM = 40%; g, h – DM = 20%; a, c, e, g – effective viscosity dependence on shear rate (1 – 35˚С, 2 – 55˚С, 3 – 75˚С.); b, d, f, h – dependence of shear stresses on the shear rate (1 – 35˚С, 2 – 55˚С, 3 – 75˚С)

a)                                                         b)

c)

d)

γ [c-1].

e)

f)

g) h)

Рисунок 3. Реологические характеристики цикорного концентрата спустя 8–12 с. с момента приложения нагрузки: a, b – СВ = 80%; c, d – СВ = 60%; e, f – СВ = 40%; g, h – СВ = 20%; a, c, e, g – зависимости эффективной вязкости от скорости сдвига (1 – 35˚С, 2 – 55˚С, 3 – 75˚С.), b, d, f, h – зависимость касательных напряжений от скорости сдвига (1 – 35˚С, 2 – 55˚С, 3 – 75˚С)

Figure 3. Rheological characteristics aqueous solutions chicory concentrate after 8–12 seconds with the application of after applied velocity gradient: a, b – DM = 80%; c, d – DM = 60%; e, f – DM = 40%; g, h – DM = 20%; a, c, e, g – effective viscosity dependence on shear rate (1 – 35˚С, 2 – 55˚С, 3 – 75˚С.); b, d, f, h – dependence of shear stresses on the shear rate (1 – 35˚С, 2 – 55˚С, 3 – 75˚С)

На реологических кривых явным образом выделяются два участка: область резкого снижения вязкости в очень узком диапазоне напряжений сдвига (γ = 1 ÷ 20 с-1) и ньютоновское течения маловязкой системы (γ = 3 ÷ 20 с-1) [2, 3].

В результате исследований реологических характеристик КЯС и ЦК установлено, что максимальная эффективная вязкость достигается при максимальном содержании сухих веществ в концентрате, при минимальной температуре и минимальной скорости сдвига

(СВ = 80%, t = 35 ̊C, γ = 1,8 c^-1) в исследуемом диапазоне температур (t = 35÷75 ̊C), градиентах скоростей (γ = 1,8 ÷ 20 c^-1) и составляет η СЭЯ = 379,6 Па⋅с для КЯС и η ЭЖЦ = 525,6 Па⋅с для ЦК.

При ступенчатом увеличении градиента скорости сдвига до γ = 20с^-1 эффективная вязкость КЯС и ЦК уменьшается по гиперболической траектории на 80% и 77% до значений η СЭЯ = 75,7 Па • с и η ЭЖЦ = 121,13 Па • с соответственно.

Рассмотрим процесс диспергирования экстракта КЯС и ЦК пневматической форсункой внутри корпуса цилиндрической сушильной камеры установки для распылительной сушки. Пневматическая форсунка, представленная на рисунке 4, имеет цилиндрический канал, после прохождения которого, продукт под воздействием сжатого воздуха (давлением P = 3–8 атм.) диспергируется в камеру распылительной сушилки. Средняя рекомендуемая скорость движения продукта в канале форсунки υ d = 0,5÷1,0 м/с [2].

Рисунок 4. Пневматическая форсунка

Figure 4. Pneumatic nozzles

Одним из основных факторов интенсификаций процесса сушки является повышение дисперсности частиц распыла раствора. Поэтому необходимо стремиться максимально снизить поверхностное натяжение и вязкость раствора перед распылением. Анализ кривых течений (рисунок 2, 3) показывает, что для обоих растворов – концентратов цикория и ячменного солода, минимальная вязкость наблюдается при максимальной