Тамақ өнімдерін капсулалауға арналған жетілдірілген қондырғы

ҒТАМР 65.09.03; 65.09.05                        

Кіріспе

«Қазақстан Республикасының Президен-ті Қасым – Жомарт Тоқаевтың «Жасанды интеллект дәуіріндегі Қазақстан: өзекті мәселелер және оны түбегейлі цифрлық өзгерістер арқылы шешу» атты Қазақстан халқына жолдауында: «Ауыл шаруашылығын жаңа деңгейге көтеру қажет. Өнімдер әлемнің көптеген еліне тасымалданады. Мұндай жобалардың ауқымын кеңейту қажет. Әр аймақта дайын өнімді өндірістен дүкен сөресіне дейін жеткізетін әрбір өңірдің ерекшелігіне қарай біртұтас желі қалыптасуы керек. Көптеген аймақта өндірістің барлық сатысын қамтитын үздік агрокәсіпорындар бар. Бұл кәсіпорындар цифрландыру тәсілдерін жаппай енгізу арқылы өндірістің тиімділігін әлдеқайда арттырып жатыр. Үздік агрокәсіп-орындар ауыл шаруашылығы өнімін шығару-дан бастап оны терең өңдеуге дейін тұтас өндірісті толығымен жолға қойып, зор табысқа жетіп отыр. Сондықтан осындай агрохолдинг-тердің тәжірибесін тарату үшін барынша жағдай жасаған жөн» деп айтылды [1].

Тамақ өнімдерін капсулалауға арналған жетілдірілген қондырғы. Жұмыс блогына 1 штатив кіреді, оған екі консоль қозғалып тұрады. Төменгі консольға салқындату ерітіндісі мұзды суға арналған 3 контейнер орналастырылған. Екінші консольде 4 жетек панелі қойылған. Капсулалау ерітіндісі бар контейнерлерге арналған панельде жұмыс қоспасына арналған контейнер 6 және сұйықтықты шаюға арналған контейнер 8 бар. Панель реттелетін гайкамен 7 биіктікке реттеліп отырады. Атқарушы құрылғылар панелінде орналасқан: айналым сорғысы 10, тісті сорғы 5. Капсулалауға арналған жетілдірілген қондырғы 1-ші суретте көрсетілгендей [2].

Сурет 1. Капсулалауға арналған жетілдірілген қондырғы

1– штатив; 2 – ортадан тепкіш форсунка; 3 – контейнер (ерітіндіге арналған); 4 – қозғағыш панел; 5 – тісті сорғы; 6 – қоспаға арналған контейнер; 7 – реттегіш гайка; 8 – контейнер (шаюға арналған); 9 – бір фазалы қатты күйдегі реле; 10 – айналым сорғысы; 11 – айнымалы сым резисторлары; 12 – тұрақты кернеуді төмендететін тұрақтандырғыш; 13 – термостат, 14 – құбырлар, 15 – қуат көзі.

Ортадан тепкіш форсункалар тангенци-алды кірістері немесе айдалатын сұйықтыққа айналмалы қозғалыс беретін шнегі (немесе ұқсас элементі) болады. Форсунка арнасында сұйық жұқа қабықша түрінде өз қабырғасы бойымен қозғалады, ал ортасы ауа құйынды деп аталатын құйындымен толтырылады. Форсун-кадан ағып жатқанда пленка ыдырап, қуыс конус түріндегі алауды құрайды [3].

Альгинат – қоңыр балдырлардан алынған табиғи жоғары молекулалы полисахаридтер. Химиялық құрылымы бойынша альгинаттар альгин қышқылының тұзы болып табылады, ол өз кезегінде D маннурон және L гулурон қышқылдарынан тұрады. Еритін альгинат-тардың тән ерекшелігі – олардың тұтқыр ерітінділер түзу қабілеті, сондықтан олар әртүрлі салаларда тиімді қоюландырғыш ретінде кеңінен қолданылады [4].

Тірі микроорганизмдер пробиотиктерді тұтынған кезде адам ағзасы жақсы жұмыс істей бастайды [5]. Капсулалау пробиотиктердің өміршеңдігін сақтайды, бұл асқазан-ішек жолдарының оңтайлы жұмысының маңызды аспектісі [6]. Капсулалау – биологиялық белсенді заттарды дәрілерді қабыққа енгізу. Құрамында қасиеттер бар капсулаланған материалды қорғау үшін қабырға орнатылады. Қабырғаға берілген жағдайда өткізгіш материалдан босап шығады [7, 8].

Зерттеу материалдары мен әдістері

Қондырғы келесідей үлгі бойынша жұмыс істейді: 40°С температураға дейін қыздырылған гель түзетін қоспаның сулы ерітіндісі 6, жұмыс қоспасына арналған контейнерге құйылады. Ерітіндіге арналған 3 контейнерге 0-ден 5 °С-қа дейінгі темпера-тураға дейін салқындатылған кальций хлоридінің 2% ерітіндісі болып табылатын форма түзетін сұйықтық құйылады. Бұл жағдайда 16 ауыстырып - қосқыш клапан құбырлар жүйесіне 2-суретте көрсетілгендей гель түзетін қоспаның сулы ерітіндісі түсетін етіп бұрылады. 3-суретте көрсетілгендей d=1,2×10-3м үлгідегі ортадан тепкіш форсунка таңдалды.

Тісті сорғы сұйықтықты ерітінді ыдыс-ынан ортадан тепкіш форсункаға жеткізуге арналған. Термостат 13 жүйеде белгіленген температураны ұстап тұрады. Ерітінділерге арналған контейнерлер, термостат, тісті сорғы силикон 14 құбырлармен қосылған. Панельде сонымен қатар тісті сорғыға құбырлар арқылы ортадан тепкіш форсунка жалғанған. Жұмыс ыдысындағы ерітінді ортадан тепкіш форсунка арқылы шашырату әдіспен (CaCl 2 ) салқын-датылған ерітіндісі бар контейнерге құйылады [9, 10].

а)

в)

Сурет 2. Ауыстырып қосқыш клапаны (а)

Тісті сорғы (в)

Сурет 3. Ортадан тепкіш форсунка d= 1,2×10-3м

Жұмыс ыдысындағы ерітінді ортадан тепкіш форсунка тесік арқылы шашырату әдіспен (CaCl 2 ) салқындатылған ерітіндісі бар контейнерге түседі.

Келесіде гель түзетін қоспаның сулы ерітіндісі тісті сорғы арқылы 5 сұйықтықты шашырату орын алатын 2 ортадан тепкіш форсункаға жіберіледі.

Гель түзетін қоспаның сулы ерітіндісін өндіргеннен кейін қондырғы өшіріледі және қалыптаушы сұйықтықтан алынған капсулалар сүзіледі және тазартылған суда жуылады.

Натрий альгинаты гель түзетін қоспа сулы ерітіндісі ретінде алынды. Ерітінді келесідей алынды: натрий альгинаты 1% концентрациясы дайындалды. Натрий альгинаты қоспасы өлшенген стаканда, электромагнитті қыздырылған араластыр-ғышқа қоямыз және ерітінді толық ерігенше араластырылады. 60 оС қыздыру температура-сына қоямыз, себебі 60 оС-тан төмен температурада натрий альгинаты нашар ериді, ал 60 оС-тан жоғары температурада натрий альгинаты жинала бастайды. Натрий альгинаты ерігеннен қоспасы 40°C температураға дейін салқындатылды. Алынған қоспаға Propionibac-terium freudenreichii пропион қышқылы бактерияларының штаммы қосылды. Кальций хлоридінің 2% қалыптау қоспасы дайында-лады. Оған 98 мл тазартылған су алып, 2 грамм кальций хлориді қосамыз. Кальций хлориді ерітіндісі ерігеннен соң қалып түзетін қоспа дайын болады [11]. Гель түзетін қоспадан шашырату арқылы тамшылар қалыптастыру үшін бүріккіш пульверизатор пайдаланылды. Ортадан тепкіш форсункадан тамшылар шашырайды, кальций хлориді ерітіндісіне толығымен батырылып, натрий альгинаты кальций хлоридімен әрекеттесуінен, кальций альгинатынан тұратын капсулалар түзіледі. Соңында дөңгелек пішінді капсулалар алынды.

Гель түзетін қоспаның сулы ерітінді-сінің тұтқырлығын анықтау. Белгілі болған-дай, дөңгелек шкаласы бар аналогтық вискозиметрлер қарапайым және қолдануға ыңғайлы. Тұтқырлықты өлшеу үшін вискозиметрдің негізгі жұмыс денесін тік цилиндрлік штангаға бекіту керек. Вискозиметр корпусында электр қозғалтқышының шығыс білігіне ротор бекітіледі. Ротордың айналу жылдамдығын реттегіштің айналу жиілігі 0-ден 100 айн/мин аралығында болады.

Белу шкаласы бар децгелек теру 4-суретке сэйкес вискозиметр корпусында орналасцан.

Тұтқырлықты өлшеу әдістемесі бірнеше кезеңнен тұрады: Сынаманы көлемі кемінде 600 мл химиялық ыдысқа орналастыру жолымен дайындау. Ротордың дұрыс ұшын таңдау және оны ротордың шығыс білігіне бекіту. Қажетті ұштың түрі зерттелетін сұйықтықтың тұтқырлығына байланысты анықталады. Гель тәрізді ортада өлшеу жүргізу үшін № 4 ротордың ұшын пайдалану қажет. Өлшенетін қоспаның түріне сәйкес келмейтін ұштардың басқа түрлерін пайдалану өлшеудің тиiстi нэтижелерiн бермейдi [12; 13].

Сурет 4. Децгелек шкаласы бар Брукфилдтщ аналогтыц вискозиметр1

1- штанга; 2 - станина; 3 - цысцыш; 4 - ротор; 5 - жылдамдыц реттепшр 6 - буранда; 7 - децгелек шкала; 8 -цорFаныс жацтауы.

1. Зерттелетін сынамаға жұмыс элементін орналастыру. 2. Вискозиметрдi цосу. 3. Ротор-дың қажетті айналу жылдамдығын анықтау. 4. Көрсеткіштерді тұрақтандыру (тұрақтандыру уақыты орта есеппен ротордың 5 айналымынан кейін анықталады және айналу жылдамдығына жэне зерттелетш суйыцтыцтыц сипаттама-ларына тікелей байланысты). 5. Дөңгелек шкаладан керсеткiштердi алу.

Капсулалар микроқұрылымын анықтау. 1. Алдымен капсулалар ретімен 30%, 50% және 70% изопропил спиртi ертндшерше салынып, әрбір ерітіндіде 3 сағат ұсталды. Кейін олар 100% изопропил спирті бар ыдысқа ауыстырылып, сусыздандыру мақсатында кемінде 6 сағат бойы сақталды. 2. Осыдан кейін капсулалар 30%, 50% жэне 70% концен-трациядагы терт-бутил спиртi ертндшерше салынып, соцында 100% терт-бутил спиртше ауыстырылды. 100% терт-бутил спиртi +25 °С температурада қату қасиетіне ие болғандықтан, үлгілер мұздатылған күйде бекітілді. 3. JEOL (Жапония) фирмасыныц JFD-320 муздатып кептiру цондыргысында вакуум эсершен терт-бутил спирті мұздатылған күйден бірден бу кYЙiне етедi. Бул капсула цурамынан терт-бутил спиртін толық жоюға және оның құрылымын бұзбай сақтауға мүмкіндік береді. 4. Кейін JEOL (Жапония) фирмасыныц JEE-420 вакуумды тундыру цондыргысында капсула-ныц кесшген бетіне жұқа көміртекті қабат жағылады, бұл жоғары контрастылы кескіндер алуға мүмкіндік береді. 5. Дайындалған капсулалар екі жақты көміртекті таспа көмегімен бекітіліп, микроскоп камерасына орналастырылады. Одан кейін үлгі беті сканерленіп, оның құрылымы зерттеледі [14].

Нәтижелер және оларды талқылау

Бингам, Шведов, Шоффильд-Скоттблер, Пелег механикалық модельдерін қолдана отырып және механикалық әсер ету кезінде гель тәрізді шикізаттың әрекетін сипаттау үшін негiздеме жYргiзе отырып, реологиялыц дене-нш, механикалыц моделiн алуга болады. Бергл-ген реологиялыц дене моделi - Бюргерс моделi 5-суретке сэйкес, ягни Максвеллдш, тутцыр-серпімді босаңсытатын денесінің және гель тэрiздi ортага арналган тугцыр-серпiмдi Кельвин-Фойгт денесшш, дэйектi механикалыц моделi.

Осылайша, берілген модель үшін гель тәрізді шикізаттың жалпы деформациясы Максвелл денесшш, деформацияларыныц цосын-дысы жэне уацыт ете келе серпiмдi деформация-ның өзгеруі болып табылатын серпімді әсер құбылысын көрсететін шикізаттың әрекетін модельдейтш элемент болып табылады [14].

А/ = ^/м +^Ук,

мундагы, Ау м - Максвелл моделшш, деформациясы;

Δγ К – Кельвин – Фойгт моделінің      деформациясы

Сурет 5. Бюргерс механикалық моделі у Gi - лездiк cepniMgi деформация модулi, Па; G2 - баяу cepniMgi деформация модулi, Па; ni — Ньютон тұтқырлығы, Па·с; η2 – пластикалық ығысу тұтқырлығы, Па·сү.

Теңдеудің сол және оң бөліктерінен алынған уақыт туындысы (1.1) келесідей:

(1.2)

dγ  dγM  dγK dθ dθ dθ .

Максвелл моделінің реологиялық теңдеуі мәнді анықтайды dγM : dθ dγ     1 θ θ⋅ t                      (1.3)

dθ = G dθ+ η dγK dθ

мәні Кельвин - Фойгт моделінің реологиялық теңдеуімен анықталады:

de \G 2 -de) ^L                ]

(1.4)

Бұл мәнді (1.2) өрнекке ауыстырып, гель тәрізді шикізат үшін Бюргерс теңдеуін аламыз: [14].

у =   + —- + (7) ■ [1- e (-^G2-^t/ri^]

^G1     ^ 1     ^G2

мұндағы: γ – жылдамдық градиенті, с^-1; G 1 – лездік серпімді деформация модулі, Па; G 2 – баяу серпімді деформация модулі, Па; η 1 – ньютондық тұтқырлық, Па·с; η 2 – ығысу кезіндегі пластикалық тұтқырлық, Па·с; θ – ығысу кернеуі, Па; t – уақыт, с.

Форсункалардың геометриялық өлшем-дерін анықтау үшін рентгендік талдау жүйесімен жабдықталған JEOL (Жапония) фирмасының «JSM-6390LV» төмен вакуумды аналитикалық сканерлеуші электронды микроскопы (SEM) пайдаланылды. Сонымен қатар, «OXFORD INSTRUMENTS» (Ұлыбри-тания) компаниясының «INCA ENERGY 250» микроанализ жүйесі қолданылды. Бұл микроскоп материал құрылымын 30-дан 300

000 есеге дейін үлкейтіп зерттеуге, жоғары және төмен вакуум режимдерінде жұмыс істеуге, зерттелетін үлгінің химиялық құрамын

0,1% дәлдікпен анықтауға және оны карта түрінде бейнелеуге мүмкіндік береді (6-сурет)[14].

0,5% натрий альгинаты

0,8 % натрий альгинаты

1 % натрий альгинаты

Сурет 6. Форсунка тесік диаметрі 1,2×10-3м алынған капсулалар

Капсулалар жетілдірілген қоңдырғыда шашырату әдіспен алынды. Капсулалау материалы ретінде натрий альгинаты таңдалды. Ортадан тепкіш форсунка диаметрі d=1,2×10-3м алынды, микроскоптау нәтижелері 7-суретте көрсетілген.

Сурет 7. Форсунка тесік диаметрі d=1,2 ×10-3м алынған микроскоптау нәтижелері

1% натрий альгинаты

Таңдалған капсулалау материалды негіздеу үшін 0,5%, 0,8%, 1% концентрациядағы натрий альгинаты капсула түзілу мүмкіндігін анықтау үшін тәжірибелік зерттеулер жүргізілді [14].

Сонымен, форсункадағы тесік диаметрі d=1,2×10-3м тәжірибе жасау кезінде, капсула-лардың 0,5% натрий альгинат концентра-циясында алынған капсулалар пішіні дұрыс және құрылымы біркелкі, жұмсақ консистенциясы бар, физикалық әсер ету кезінде оңай бұзылады, орташа диаметрі 1,1×10-3м болды.

Ал 0,8% натрий альгинат концентра-циясында алынған капсулалар, пішіні дұрыс және құрылымы біркелкі, жұмсақ консистенциясы бар, физикалық әсер ету кезінде оңай бұзылады, орташа диаметрі 1,3×10-3м болды.

1% альгинат концентрациясында тұтқыр-лығы жоғары болуына байланысты алынған капсулалар, дөңгелек пішінді және біркелкі, жұмсақ, физикалық әсер ету кезінде тұрақты, орташа диаметрі 1,4×10-3м болды.

Капсулалауға арналған материал ретінде 1% натрий альгинаты концентрациясы қабыл-данды, себебі алынған капсулалар талаптарға сәйкес келеді, алынған капсула орташа диаметрі 1,4×10-3м болды. Осы құрамнан жасалған капсулалар әдемі дөңгелек пішінді, құрылымы біркелкі, жұмсақ консистенциялы, физикалық әсерге төзімді болып келеді.

Сурет 8. Капсула алуға арналған тәжірибелік қондырғыда тісті сорғының әр түрлі айналу жиілігі кезінде ерітінді температурасының гель түзетін қоспаның тұтқырлығына тәуелділігі

Гель түзетін қоспаның сулы ерітіндісінің тұтқырлығын анықтау. Капсулалар алу үшін тәжірибелік қондырғыда 8-суретте көрсетіл-гендей тісті сорғының айналу жиілігі мен ерітінді температурасынан, гель түзетін қоспаның тұтқырлығының тәуелділігі, гель түзетін қоспаның температурасы көтерілуімен тұтқырлығы төмендейтіндігі көрінеді, бұл ретте 40°С және 50°С температурада тұтқырлығы шамалы өзгереді, мұны ескере отырып, 40°С температурасын неғұрлым қолайлы деп қабылдауға болады.

Капсулалауға арналған тәжірибелік қондырғыда

9-суретте көрсетілгендей тісті сорғының әр түрлі айналу жиілігінде алынатын капсулалар санының гель түзетін қоспаның тұтқырлығына тәуелділігі, гель түзетін қоспаның тұтқырлығының азаюымен алынатын капсулалардың саны артатыны көрінеді. Тісті сорғының 47,6 с-1 айналу жиілігі оңтайлы болды, себебі алынған капсулалар саны артты. Мұны тұтқырлықтың төмендеуі кезінде гель түзетін қоспаның тығыздығы және тиісінше уақыт бірлігінде ортадан тепкіш форсунка тесігі арқылы өтетін сұйықтықтың көлемі артуымен түсіндіруге болады [14, 15].

Сурет 9. Капсула алуға арналған тәжірибелік қондырғыда, алынатын капсулалар саны тісті сорғының әр түрлі айналу жиілігі кезінде гель түзетін қоспаның тұтқырлығына тәуелділігі

Қорытынды

Жұмыс ыдысындағы ерітінді ортадан тепкіш форсунка тесік арқылы шашырату әдіспен (CaCl2) салқындатылған ерітіндісі бар контейнерге түседі. Тұтқырлықты өлшеу үшін вискозиметрдің негізгі жұмыс денесін тік цилиндрлік штангаға бекіту керек. Вискозиметр корпусында электр қозғалтқышының шығыс білігіне ротор бекітіледі. Ротордың айналу жылдамдығын реттегіштің айналу жиілігі 0-ден 100 айн/мин аралығында болады. Тәжірибе жасау кезінде ортадан тепкіш форсунка d=1,2×10-3м таңдалды. Капсулалау материалы ретінде 0,5%, 0,8%, 1% концентрациядағы натрий альгинаты ерітінді-лері алынды, 1% натрий альгинат концентра-циясында тұтқырлығы жоғары болуына байланысты алынған капсулалар, дөңгелек пішінді және біркелкі, жұмсақ, физикалық әсер ету кезінде тұрақты, орташа диаметрі 1,4×10-3м болды. Гель түзетін қоспа тұтқырлығы әр түрлі температурада натрий альгинаты ерітіндісінің концентрациясына тэуелдЫп кезшде, 40 С° температурада тұтқырлық мөлшері ротордың айналу жиілігі үшін шамалы өзгереді, ерітіндіні пайдаланудың ец колаилы температурасы 40 С° алынды. Ticri сорғының 39,3 с-1, 47,6 с-1 жоғары айналу жиілігінде гель түзетін қоспаның тұтқырлығы төмендейді, форсунка диаметрі 1,2×10-3м өткізу қабілеті өнімділігі артады.

ПАЙДАЛАНҒАН ӘДЕБИЕТТЕР ТІЗІМІ