X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Если сырье содержит высокомолекулярные соединения (ВМС) (клубни сахарной свеклы, овощи, фрукты, хлебные злаки, мясопродукты, полимерные материалы), то его переработка сопряжена со многими проблемами, так как могут протекать такие процессы, как набухание и растворение ВМС, тиксотропия и синерезис, студнеобразование и изменение текучести [1 – 4]. При этом интенсивность таких процессов зависит от природы и молярной массы входящих ВМС.

Поэтому при проведении улучшения и реинжиниринга, а также при замене исходного сырья надо обязательно определять величину молярной массы высокомолекулярных веществ как в сырье, так в готовой продукции [5 – 6]. А для контроля этого параметра надо использовать статистические методы анализа как наиболее перспективного способа контроля качества сырья и продукции [7 – 8].

Методов и средств определения и контроля величины молярной массы много. Но из всего арсенала надо уметь выбирать те, которые наиболее точно дают реальные значения в пределах погрешности, заданных нормативными документами системы менеджмента качества (СМК), доступны на предприятии, наиболее просты в методике как проведения эксперимента, так и осуществлении расчетных работ.

На рисунке 1 показана схема выбора методов контроля молярной массы.

Рисунок 1 – Схема выбора методов контроля молярной массы ВМС

Наиболее часто для этих целей применяется вискозиметрический метод, который позволяет определять не только молярную массу, но и все виды такой важнейшей характеристики как вязкости связно дисперсных систем, на основе которой базируются многие технологические приемы (например, транспортировки по трубопроводам, перемешивании, составлении рецептуры для студнеобразования и т.д.).

Для связно дисперсных жидких систем средствами измерения может быть различные типы вискозиметров: вибрационные, с падающим шариком, капиллярные, ультразвуковые, ротационные. Но наиболее востребованными в производственных лабораториях являются вискозиметры, где измеряемой величиной является время истечения эталонной жидкости и растворов строго определенного объема через капилляр фиксированного диаметра (капиллярные вискозиметры), и время падения шарика на строго определенном контролируемом отрезке высоты жидкости (вискозиметры с падающим шариком).

В этих случаях используется преобразованное уравнение Штаудингера:

_уд / C =  _прив = K^. M, где

К – константа для каждого полимергомологического ряда ВМС (справочная величина);

М – молярная масса ВМС;

C – концентрация раствора, выраженная в основных молях;

, _о – динамическая вязкость раствора и растворителя;

_уд – удельная вязкость раствора (_уд =( – _о) / _о);

_уд /C – приведенная вязкость.

Данное выражение является прямой, параллельной оси Х, то есть на величину приведенной вязкости раствора данного ВМС не должна влиять его концентрация (линия 1 на рисунке 2) (так как К=const, M=const, следовательно, K^. M=const,). Но экспериментальные исследования показали, она линейно за­висит от концентрации раствора (линия 2), но график показывает, что эти кривые пересекаются в одной точке при C=0, что соответствует величине ха­рактеристической вязкости []. Поэтому уравнение Штаудингера используется только при концентрации, стремящейся к нулю:

[] = lim _{C 0} (_прив ) = K^. M.

А расположение прямых 1 и 2 дает ценную информацию о структурных особеннос­тях связно дисперсной системы ВМС и межмолекулярных взаимодействиях в ней.

Рисунок 2 – Влияние концентрации раствора ВМС на вязкость

При использовании капиллярного вискозиметра экспериментально [9] определяют время истечения определенного объема жидкости через капилляр для растворителя и растворов нескольких концентраций (τ). И на основе этих измерений рассчитывают все виды вязкостей, графически находят характеристическую вязкость, а затем рассчитывают молярную массу ВМС [9].

Для прозрачных жидких растворов ВМС динамическую вязкость можно определить вискозиметром с падающим шариком. Для этого вначале находят скорость падения: она рассчитывается как высота столба жидкости между нанесенными на приборе метками (h), деленная на время падения шарика:

u = h / τ.

Затем по скорости свободного падения (u) в жидкости шарика с известным радиусом (r) и массой (m), с использованием уравнения Стокса, рассчитывается динамическая вязкость:

= (2/9) ^. [r^{2 .} ( – _o) / u] ^. g,где

, _o – плотность материала шарика и жидкости соответственно;

g – ускорение свободного падения.

Эти данные впоследствии используются для нахождения всех остальных видов вязкости и молярной массы ВМС.

Вязкость пищевой продукции часто определяют с использованием ротационного вискозиметра с постоянной К (паспортная константа), замеренной частотой вращения цилиндра n, помещенного в исследуемую жидкость, по уравнению:

 = K^. (m – m_o) / n, где

m, m_o – масса грузов, вращающих цилиндр вискозиметра.

По найденной динамической вязкости рассчитываются остальные виды вязкости и молярная масса ВМС.

Нами экспериментально исследован пищевой желатин с помощью капиллярного вискозиметра. Полученные данные и результаты расчетов приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Экспериментальные данные и результаты расчетов исследования растворов пищевого желатина

Концентрация раствора		Время истече-ния, с	Вязкость растворов
Процент- ная	в осн. молях		, сП	отн	уд	прив
0,25	0,03	28	2,7	2,9	1,9	61,7
0,5	0,06	50	4,9	5,1	4,1	68,1
0,75	0,09	75	7,3	7,6	6,7	76,6

Из построенного графика зависимости _прив = f(С) определена характеристическая вязкость ([] = 55,8), а рассчитанная молярная масса желатина составила 9,8 ∙10 ⁴ г / моль.

Таким образом, на основе составленной схемы можно выбрать методы и средства определения и контроля величины молярной массы с учетом как пределов погрешности, заданной нормативными документами СМК, так и наличием доступного оборудования.

Список литературы

1. Савостин А.В., Шурай П.Е., Литош А.Н. Предцефекация в условиях повышенного содержания коллоидов в диффузионных соках. – Сахар, 2008 - № 2. - С. 36-40.

2. Савостин А.В., Шурай П.Е., Пильников А.Ф. Повышение эффективности преддефекации возвратом активированного осадка сока II cатурации. - Известия высших учебных заведений. Пищевая технология, 2008. - № 4. - С. 54-57.

3. Савостин А.В., Шурай П.Е. Механохимическая активация в технологии сахарного производства. - Известия высших учебных заведений. Пищевая технология, 2009. - № 1. - С. 59-61.

4. Кузменчук В.С., Шурай П.Е., Шурай С.П. Описание бизнес-процесса на примере производства хлеба. - Качество продукции: контроль, управление, повышение, планирование: сборник научных трудов Международной молодежной научно-практической конференции (17-18 ноября 2016 года; в 2-х томах, Т.1, Юго-Зап. Гос. Ун-т, Курск: Из-во ЗАО «Университетская книга», 2016. – С.384 – 388.

5. Бойко Е.А., Шурай П.Е., Шурай С.П. Использование бенчмаркинга фирмами на примере финансового учреждения – банка. – Качество продукции: контроль, управление, повышение, планирование: сборник научных трудов Международной молодежной научно-практической конференции (17-18 ноября 2016 года; в 2-х томах, Т.1, Юго-Зап. Гос. Ун-т, Курск: Из-во ЗАО «Университетская книга», 2016. – С. 121 – 124.

6. Мартаков Д.А., Шурай П.Е., Шурай С.П. Внедрение реинжиниринга на предприятии. – Качество продукции: контроль, управление, повышение, планирование: сборник научных трудов Международной молодежной научно-практической конференции (17-18 ноября 2016 года; в 2-х томах, Т.2, Юго-Зап. Гос. Ун-т, Курск: Из-во ЗАО «Университетская книга», 2016. – С. 37 – 40.

7. Левин С.С., Шурай П.Е., Шурай С.П. Статистические методы управления процессами. – Качество продукции: контроль, управление, повышение, планирование: сборник научных трудов Международной молодежной научно-практической конференции (17-18 ноября 2016 года; в 2-х томах, Т.2, Юго-Зап. Гос. Ун-т, Курск: Из-во ЗАО «Университетская книга», 2016. – С. 14 – 18.

8. Прокопенко В.Д., Шурай П.Е., Шурай С.П. Использование карт Шухарта для анализа качества продукции. – Качество продукции: контроль, управление, повышение, планирование: сборник научных трудов Международной молодежной научно-практической конференции (17-18 ноября 2016 года; в 2-х томах, Т.2, Юго-Зап. Гос. Ун-т, Курск: Из-во ЗАО «Университетская книга», 2016. – С. 182 – 186.

9. Шурай П.Е. Физколлоидная химия. Поверхностные явления и дисперсные системы. Применение Mathcad при выполнении лабораторных работ: Учеб. пособие / Кубан. гос. технол. ун–т.– Краснодар: Изд. КубГТУ, 2003. – 147 с.

Код для цитирования: Скопировать