Изучение влияния режимных параметров механического вспенивания кератинового гидролизата с загустителем в технологии пенобетона

DOI:                   Оригинальная статья/Research article

Современная строительная отрасль демонстрирует устойчивую тенденцию к применению энергоэффективных и экологичных материалов, среди которых пенобетоны занимают одно из ведущих мест. Ключевым компонентом, определяющим их структурные и теплофизические свойства, является пенообразователь [1–4]. В последние годы все большее внимание уделяется белковым пенообразователям, в частности, на основе гидролизатов кератинсодержащего сырья, таких как отходы птицепереработки. Использование данного вторичного сырья не только позволяет получить эффективный продукт, но и решает задачу ресурсосбережения [5, 6].

Важным этапом в технологии производства сухих пенообразователей является сушка пены. Для снижения энергозатрат перспективным является переход от вакуумной сушки к более экономичной атмосферной, в частности, конвективной. Однако успешная реализация этого процесса напрямую зависит от первоначальных характеристик пенной структуры [7, 8]. Формирование стабильной пенной системы с заданными реологическими и структурными параметрами представляет собой критически важный технологический передел, предшествующий процессу сушки. Именно такие характеристики пены, как дисперсность, однородность, устойчивость к дренажу и коалесценции, непосредственно детерминируют кинетику обезвоживания, эффективность съема с рабочих поверхностей и, в конечном счете, качество получаемого порошкообразного продукта [9, 10].

Для целенаправленного управления свойствами пены на стадии её формирования в состав кератинового гидролизата вводится загуститель, в качестве которого была научно обоснована гуаровая камедь. Ее добавление способствует созданию стабильного структурного каркаса.

Однако конечные параметры пенной структуры являются функцией не только состава системы, но и режимов её механической обработки [11]. Интенсивность и продолжительность перемешивания непосредственно влияют на дисперсность воздушных пузырьков, кратность вспенивания и прочность межфазных пленок, что, в свою очередь, определяет технологическую пригодность пены для последующей сушки.

Таким образом, целью настоящего исследования являлось установление влияния режимных параметров процесса механического вспенивания (скорости вращения диспергирующего устройства и продолжительности процесса) кератинового гидролизата, модифицированного гуаровой камедью, на показатели пенообразования и стабильности пенной структуры. Определение оптимальных режимных параметров является необходимым условием для разработки эффективной и воспроизводимой технологии получения порошкообразного пенообразователя, пригодного для сушки в конвективных установках.

Материалы и методы

Объектами исследования послужил кератиновый гидролизат с добавкой гуаровой камеди, как загустителя. В качестве объекта исследования использовался готовый к применению жидкий кератиновый гидролизат. Образец был приобретен у коммерческого поставщика на платформе «Яндекс Маркет» в категории товаров для профессиональной косметики. Внешне продукт представляет собой прозрачную или слабо опалесцирующую жидкость от бесцветного до светло-соломенного оттенка, обладающую вязкостью, близкой к воде. Использование готовой жидкой формы исключило необходимость стадии предварительного растворения, что упростило его непосредственное внедрение в технологический процесс. Гуаровая камедь приобретена из того же источника электронной коммерции, но в сегменте поставщиков пищевых и технических добавок. Исходный образец представлял собой мелкодисперсный порошок от белого до светло-кремового цвета.

Предварительные исследования, направленные на определение рациональной концентрации загустителя в гелеобразной протеиновой системе на основе ее вязкостных, структурномеханических свойств, а также визуальной оценке структуры получаемой пены и ее дисперсионного анализа, позволили выявить ее значение на уровне С ГК = 0,35…0,40 %. В связи с этим, для проведения дальнейших исследований, в частности влияния режимных параметров процесса механического вспенивания на получаемую пенную структуру, принимаем за рациональную концентрацию загустителя значение С ГК , равное 0,35 ± 5 %. Далее для системного понимания влияния режимных параметров процесса механического вспенивания кератинового гидролизата при его температуре 20 ± 1 °C предлагается эксперимент с варьированием двух основных факторов: скорости вращения пеновзбивателя ( ω ) и продолжительности вспенивания ( τ ). Изучаемый диапазон варьирования основных параметров представлен в таблице 1.

Таблица 1.

Варьируемые параметры при исследовании процесса механического вспенивания

Table 1.

Variable parameters in the study of the process of mechanical foaming

Варьируемый параметр Variable parameter	Изучаемый диапазон Range under study
ω , об/мин	400…1700
τ , с	30…180

Экспериментальное исследование влияния режимных параметров процесса механического вспенивания проводили посредством ручного миксера марки «Viatto VA-НМ265WН» с использованием венчика, в качестве взбивального органа, который прилагался к данному виду техники. На первом этапе экспериментальных исследований варьировали скорость вращения венчика при заданной максимальной продолжительности процесса, равной 180 с. На втором этапе исследований уменьшали время механического воздействия на гидролизат при рациональной скорости вращения венчика, выявленной на первом этапе.

Оценка пенообразующей способности и устойчивости пены необходима для обоснования выбора рациональной концентрации загустителя, поскольку позволяет количественно охарактеризовать функциональные свойства формируемой пенной системы. Экспериментальное определение таких параметров, как кратность пены (K), объем дренажа ( V ) и время ее полураспада ( t1 / 2), предоставляет интегральные критерии стабильности, непосредственно связанные с прочностью структурного каркаса пены [12, 13].

Определение K по отношению к исследуемому гидролизату с добавлением гуаровой камеди при ее различной концентрации находили из следующего соотношения [14]:

. V

K_ пен ^.

нач

Величину объема взбитой протеиновой системы ( V пен ) при исходном ее объеме в 100 мл ( V нач ) находили расчетным путем через плотностные показатели получаемой пены и гидролизата (ρ пен , ρ гидр ), которые и определяли экспериментальным путем, при пятикратной повторности опытов, с помощью мерного цилиндра с градуировкой.

Результаты и обсуждение

Результаты проведенного исследования по варьированию скорости вращения венчика при заданной продолжительности процесса вспенивания кератинового гидролизата представлены в таблице 2, а в таблице 3 – результаты по варьированию продолжительности процесса вспенивания при заданной скорости вращения венчика.

Таблица 2. Результаты исследования по варьированию скорости вращения венчика при заданной продолжительности процесса вспенивания кератинового гидролизата

Table 2. The results of a study on the variation of the whisk rotation speed for a given duration of the keratin hydrolysate foaming process

ω , об/мин ω , rpm	С ГК , %	τ, с τ, sec	K	τ 1/2, мин τ 1/2, min
400	0,35	180	3,2	18…20
600			3,4	18…20
800			4,3	20…23
1000			5,2	20…23
1200			6,5	25…30
1400			6,7	30…35
1600			7,1	35…40
1700			6,9	35…40

Анализ данных, представленных в таблице 2 позволяет выявить четкие закономерности влияния скорости вращения ( ω ) на ключевые параметры процесса вспенивания – кратность вспенивания ( K ) и стабильность пены, характеризуемую временем её полураспада ( τ 1/2). При фиксированных параметрах ( C гк = 0,35% и τ = 180 с) наблюдается прямая зависимость K от а в диапазоне от 400 до 1600 об/мин. Так, при а, равным 400 об/мин значение K составляет 3,2,

Арабов С.М. и др. Вестник ВГУИТ, 2025, Т. 87, №. 3, С. 200-206 и оно монотонно возрастает по мере увеличения скорости, достигая своего максимального значения 7,1 именно при 1600 об/мин. Этот рост объясняется увеличением энергии сдвига, передаваемой системе, что приводит к более интенсивному диспергированию газа и формированию большего объема пены. Однако дальнейшее увеличение а) до 1700 об/мин приводит к снижению K до 6,9. Это свидетельствует о достижении оптимума, за которым, вероятно, начинается процесс дестабилизации и коалесценции пузырьков из-за чрезмерно высоких механических нагрузок.

Аналогичная, но еще более выраженная тенденция прослеживается в изменении стабильности пены. Время полураспада ( τ 1/2) увеличивается с ростом ω : от 18…20 минут при 400 об/мин до 35…40 минут при 1600 об/мин. Это связано с формированием более мелкой и однородной структуры пены при высоких скоростях, что замедляет процессы дренажа и коалесценции. Важно отметить, что даже при скорости 1700 об/мин, когда K несколько падает, высокая стабильность пены (35…40 минут) сохраняется, что указывает на формирование прочной пленки, устойчивой к разрушению.

Таким образом, на основании проведенного анализа рациональной скоростью вращения венчика является 1600 об/мин. Этот режим обеспечивает синергетический эффект: одновременно достигается максимальный объем пены ( K = 7,1) и высокая стабильность ( τ 1/2 = 35– 40 мин). Использование скоростей ниже 1600 об/мин не позволяет в полной мере реализовать пенообразующий потенциал кератинового гидролизата, в то время как превышение этого порога (1700 об/мин) хотя и не критично, но уже нецелесообразно, так как ведет к снижению основного целевого показателя – K , без существенного выигрыша в стабильности. Следовательно, скорость 1600 об/мин является рациональной для данного процесса.

Таблица 3.

Результаты исследования по варьированию продолжительности процесса вспенивания при заданной скорости вращения венчика

Table 3.

The results of the study on varying the duration of the foaming process at a given speed of rotation of the whisk

τ , с τ , sec	С ГК , %	ω , об/мин ω, rpm	K	τ 1/2, мин τ 1/2, min
30	0,35	1600	5,2	25…30
50			5,4	25…30
70			5,9	30…35
90			6,4	30…35
110			6,3	30…35
130			6,5	35…40
150			7,1	35…40
180			7,1	35…40

Анализ данных, представленных в таблице 3 позволяет оценить влияние продолжительности обработки ( τ ) на эффективность вспенивания кератинового гидролизата и обосновать выбор рациональной продолжительности процесса. При фиксированных концентрации гидролизата ( C гк = 0,35%) и скорости вращения ( ω = 1600 об/мин) наблюдается закономерный рост коэффициента вспенивания при увеличении продолжительности процесса от 30 до 130 секунд. На начальном этапе (от 30 до 90 секунд) наблюдается интенсивный рост показателя K с 5,2 до 6,4, что объясняется постепенным насыщением системы воздухом и формированием пенной структуры. Однако, начиная с 110 секунд, рост коэффициента вспенивания резко замедляется, достигая плато величиной 7,1 на отметках 150 и 180 секунд. Это свидетельствует о том, что к 150 секундам процесс формирования пенного объема достигает своего максимума, и его дальнейшее продолжение не приводит к увеличению выхода продукта. Анализ стабильности пены, характеризуемой временем полураспада ( τ 1/2), показывает аналогичную динамику. Значение времени полураспада прогрессивно увеличивается с 25…30 минут (при 30 с) до 35…40 минут при 130 секундах и далее сохраняется на этом уровне при 150 и 180 секундах. Это указывает на то, что для формирования не только объемной, но и структурноустойчивой пены с максимальной стабильностью достаточно 130…150 секунд обработки.

Таким образом, с чисто технологической точки зрения, рациональной продолжительностью процесса является 150 секунд, поскольку именно при этом времени достигаются максимальные значения как коэффициента вспенивания ( K = 7,1 ), так и стабильности пены ( т 1/2 = 3540 мин), и дальнейшее увеличение длительности процесса не дает никакого положительного эффекта. Однако, с учетом применяемого в строительстве оборудования (строительные миксеры и растворосмесители) цикл работы которых часто стандартизирован и ориентирован на округленные временные интервалы, рационально принять продолжительность, равную 180 секундам (3 мин).

Такое округление обусловлено следующими практическими соображениями: унификация технологического процесса; создание технологического запаса и отсутствие отрицательного эффекта:

– введение процесса в стандартный трехминутный цикл упрощает его интеграцию в существующие технологические цепочки и облегчает контроль для оператора;

– увеличение времени с 150 до 180 секунд создает незначительный запас по длительности процесса, который компенсирует возможные колебания в работе оборудования или свойств сырья, гарантируя стабильное достижение целевых параметров пены в каждой партии;

– продолжение процесса с 150 до 180 секунд не приводит к ухудшению ключевых характеристик пены (объема и стабильности), что делает это округление технологически безопасным.

Таким образом, на основании проведенного исследования влияния режимных параметров процесса механического вспенивания и анализа полученных экспериментальных данных в качестве рациональных режимных параметров процесса механического вспенивания керати-ного гидролизата принимаются: C гк =0,35%; ω = 1600 об/мин и τ = 3 мин. Данное решение является компромиссом, обеспечивающим как достижение максимальных технологических показателей, так и практическую целесообразность при внедрении процесса механического вспенивания в реальных условиях строительного производства.

post@vestnik-vsuet.ru Заключение

Научно обоснован и экспериментально подтвержден выбор гуаровой камеди в качестве рационального загустителя для кератинового гидролизата. Установлено, что она формирует стабильный структурный каркас, эффективно препятствующий дренажу и коалесценции пузырьков, и демонстрирует синергизм с белковыми компонентами, обеспечивая высокую кинетическую устойчивость пены.

Установлены рациональные режимные параметры механического вспенивания: скорость вращения венчика 1600 об/мин и продолжительность процесса 180 секунд (3 минуты). Данный режим обеспечивает достижение максимальных показателей пенообразования и стабильности пенной структуры, а также технологичен для интеграции в реальные производственные циклы.

Сравнение представленных результатов с известными для подобных материалов данными показывает их адекватность без противоречий и, поэтому их можно успешно применять в инженерной практике пищевой индустрии.