Получение гомогенных и гетерогенных систем методами перемешивания и диспергирования

Характеристика дисперсных систем и методы их оценки. До­пуская некоторое упрощение, все жидкостные системы можно подразделить на две большие группы – гомогенные (однород­ные) и гетерогенные (неоднородные).

Под однородной жидкостной системой понимают чистую жидкость или раствор в ней каких-либо веществ. Неоднород­ной, или гетерогенной, жидкостной системой называют жидко­сти, в которых находятся какие-либо нерастворенные вещества в виде мельчайших частиц. Гетерогенные системы часто назы­вают дисперсными.

Все дисперсные системы состоят не менее чем из двух ком­понентов или фаз, одна из которых представляет собой дисперс­ную фазу, т. е. мельчайшие частицы какого-то вещества, дру­гая – дисперсионную среду, в качестве которой может быть жидкость или газ.

Дисперсная фаза является внутренней, а дисперсионная среда внешней фазой гетерогенной системы.

В общем случае различают следующие виды дисперсных си­стем: эмульсии; суспензии; пены; аэрозоли (пыль, туман, дым).

Эмульсии – это системы, в которых дисперсионной сре­дой и дисперсной фазой служит жидкость.

Существуют также газовые эмульсии. Эти системы в каче­стве дисперсионной среды имеют жидкость, а дисперсной фазы – газ.

Типичной эмульсией является молоко.

Суспензии – это системы, в которых дисперсионная среда – жидкость, дисперсная фаза – твердое вещество. К суспензиям относятся различные соусы, приготовленные с мукой.

Пена – система, состоящая из жидкости и мелких пузырь­ков газа. К пенам можно отнести различного рода кремы и дру­гие взбитые продукты.

В аэрозолях дисперсионной средой является какой-либо газ или воздух, а дисперсной фазой в пыли и дыме – твердые ве­щества, в туманах – жидкость.

Дисперсные, или гетерогенные, системы в зависимости от ко­личества дисперсных фаз могут быть одно- и многокомпонент­ными. К многокомпонентным системам относится молоко, содер­жащее две дисперсные фазы – жир и белок. Многокомпонент­ными являются также соусы, дисперсными фазами которых служат мука, жир и другие продукты.

Для оценки эффективности процесса диспергирования при характеристике дисперсной системы огромное значение имеет знание распределения частиц дисперсной фазы по размерам. Имеется в виду, сколько частиц того или иного размера содер­жится в гетерогенной системе.

В зависимости от распределения частиц по размерам дис­персные системы подразделяются на два основных типа. Если частицы имеют одинаковый размер, то такая гетерогенная си­стема называется монодисперсной. Если размер частиц различ­ный, то система называется полидисперсной. В практике встре­чаются почти исключительно полидисперсные системы.

Дисперсность или степень дисперсности гетерогенных систем зависит от размеров частиц дисперсной фазы. Она представляет собой величину, обратную диаметру частиц:

Δ = l/d_ср, (1)

где Δ – степень дисперсности, м^-1; d_ср – средний размер частиц дисперсной фазы, м.

Перемешивание. Процессы перемешивания при производстве продуктов питания, в т. ч. В общественном питании, применяются для многих целей. Обобщенно эти цели можно характеризовать так: перемешивание с целью получения однородной или неоднородной жидкостной системы. При этом возможно:

- перемешивание жидкости с жидкостью, жидкости с твердым веществом, жидкости с газом;

- перемешивание с целью сохранения гетерогенной системы и предотвращения расслоения, выпадения осадка или всплывания легких фракций;

- перемешивание с целью интенсификации тепло- и массообменных процессов.

Какое бы целевое назначение не имел процесс перемешива­ния, общие закономерности его осуществления остаются оди­наковыми.

Все процессы перемешивания можно подразделить на четыре основных типа: 1) перемешивание механическое; 2) перемеши­вание пневматическое; 3) перемешивание циркуляционное; 4) перемешивание в по­токе путем создания искусственной турбулизации.

Механическое перемешивание основано на применении различного рода мешалок, располагаемых в каких-либо емкостях и совершающих вращательное движение, ко­торое и осуществляет перемешивание ком­понентов, содержащихся в емкости за счет возникаемой циркуляции жидкости.

В настоящее время известно много ти­пов конструкций мешалок, причем каждый из этих типов имеет сотни разновидностей. С целью некоторой систематизации типов мешалок выделим основные из них: однолопастные, многоло­пастные, пропеллерные, якорные, турбинные, рамные, шнековые (рис. 1).

Каждый из типов мешалок имеет определенные области при­менения.

Так, лопастные и рамные мешалки применяют для пере­мешивания маловязких жидкостей, пропеллерные – жидко­стей умеренной вязкости, турбинные – невязких и вязких систем, якорные и шнековые – высоковязких и пластичных систем.

Пневматическое перемешивание основано на том, что через жидкостную систему или ее смесь с другими компонентами пропускают (барботируют) воздух или какой-либо газ.

Рис. 1. Основные типы механических мешалок:

1 – лопастная; 2 – многолопастная; 3 – пропеллерная;

4 – якорная; 5 – турбинная; 6 – рамная; 7 – шнековая

Вязкие жидкости перемешивать методом барботирования воздуха или газа весьма затруднительно. Нельзя также применять перемешивание воздухом жидкостных систем, содержащих жир или другие вещества, вступающие в реакцию с кислородом.

Пневматическое перемешивание целесообразно применять, когда перемешивание является сопутствующим или интенсифи­цирующим процессом. Например, перемешивание за счет барботирования воздуха эффективно при замачивании или мойке зерна, крупы.

Циркуляционное перемешивание основано на том, что жид­костную систему многократно пропускают через насос по замк­нутому циклу «насос-емкость». В качестве насосов могут быть ис­пользованы центробежные и струйные насосы.

Этот вид перемешивания применяют в тех случаях, когда необходимо получить устойчивые эмульсии или суспен­зии. Он широко используется для сату­рации жидкости с целью получения газированных напитков.

Циркуляционное перемешивание для получения эмульсий и суспензий прово­дят чаще всего по периодическому циклу. Сатурацию можно осуществлять и по периодическому циклу, и непрерывно.

Перемешивание в потоке путем создания искусственной турбулизации применяют, когда одна жидкость хорошо растворя­ется в другой. При этом необходимо поддерживать в камере смешения большие скорости и жидкости не должны быть вяз­кими.

В смесителе с использованием центробежного насоса перемешиваемые жидкости дви­жутся в поступательном потоке, сечение которого остается по­стоянным. Перемешивание до­стигается за счет многократного изменения направления движения, приводящего к воз­никновению интенсивной турбулизации потока.

В смесителе с использованием струйного насоса перемешивание достигается за счет того, что жидкости движутся то в радиально-расширяющемся потоке, то в радиально-сходящемся. При этом сечение потока изменяется. Над перегородками, не имею­щими отверстий, жидкости движутся от центра к периферии камеры смешения. Сечение потока в этом случае увеличивается.

Диспергирование. В литературе под дис­пергированием понимают процесс измель­чения жидких или твердых и газообразных веществ в жидкости, а также измельчение жидких и твердых веществ в газе с целью образования дисперсных систем. Среди этих процессов можно выделить три основных – это эмульгирование, гомогенизация и распыливание жидкостей.

Эмульгирование в общественном питании применяется для получения эмульсий типа жир в воде и вода в жире. В первом случае дисперсионной средой является вода, во втором – жир. Для получения устойчивых эмульсий необходимо применять так называемые эмульгаторы, представляющие собой стабилизи­рующие поверхностно-активные вещества (ПАВ). Эмульгаторы образуют на поверхности жировых частиц тончайшую оболочку, которая придает им устойчивость и препятствует расслоению эмульсии.

В качестве эмульгаторов в общественном питании исполь­зуют желатин, агар-агар, яичный белок, казеин, казеинаты, крахмал и некоторые другие.

Устойчивость эмульсии повышается с увеличением дисперс­ности жировой фазы. Поэтому при эмульгировании желательно получить равномерное распределение частиц дисперсной фазы по размерам, а сами размеры должны быть минимально воз­можными. Так, высококачественный нерасслаиваемый майонез получают тогда, когда основная (95%) часть жировых частиц имеет размер не более 8-10 мкм. Частиц размером свыше 10 мкм должно быть около 1-2%.

Следует особо подчеркнуть, что эмульгирование должно осу­ществляться при температуре не менее чем на 15-20 °С выше температуры плавления жира.

Для осуществления эмульгирования используют аппараты различных типов. Среди них наиболее распространенные: мешалочные, циркуляционные, цен­тробежные, коллоидные мельницы и ультразвуковые эмульсоры.

Центробежные эмульсоры являются непрерывно действую­щими. Среди них заслуживают внимания два (рис. 2). Прин­цип действия их в общем одинаков. Смесь воды, жира, эмуль­гатора поступает в быстро вращающееся устройство и под действием центробежной силы выбрасывается через узкие щели или отверстия, в результате чего происходит диспергиро­вание.

В эмульсоре первого типа (рис. 2, а) выброс смеси через щели осуществляется многократно. Из входного патрубка по­ступает сначала на первое кольцо, расположенное на вращаю­щемся диске. Через отверстия в этом кольце смесь выбрасыва­ется и попадает на второе кольцо, расположенное на вра­щающемся диске и так далее. После выброса эмульсии через отверстия четвертого кольца, расположенного на вращающемся диске, она выходит через патрубок для ее отвода.

Рис. 2. Схема центробежных эмульсоров:

а – схема кольцевого центробежного эмульсора: 1 – крышка;

2, 3 – неподвижные кольца; 4 – патрубок для подачи исходной смеси;

5 – патрубок для отвода эмуль­сии; 6 – вращающийся диск;

7, 9 – кольца на вращающемся диске; 8 – приводной вал; 10 – корпус;

б – схема дискового эмульсора: 1 – патрубок для отвода эмульсии;

2 – приемная камера; 3 – патрубок для подачи исходной смеси; 4 – диск

Для получения многих видов эмульсий применяют коллоид­ные мельницы (рис. 3). Зазор между ротором и камерой дол­жен составлять 0,1-0,5 мм. Известны коллоидные мельницы, в которых зазор составляет 0,025 мм.

Частота вращения ротора и коллоидных мельницах дости­гает 250-400 с^-1.

Рис. 3. Схема коллоидной мельницы с коническим ротором:

1 – патрубок для выхода эмульсии; 2 – камера;

3 – приемная воронка для ис­ходной смеси; 4 – шнековая мешалка;

5 –конический ротор; 6 – приводной вал

Диспергирование в коллоидных мельницах осуществляется за счет большого градиента скорости жидкости в зазоре между ротором и камерой. При этом форма роторов в современных коллоидных мельницах самая различная: конусная, цилиндри­ческая, зубчатая и так далее.

Ультразвуковые эмульсоры до настоящего времени не получили широкого промышленного применения. Простейшим уль­тразвуковым эмульсором является так называемый гидродина­мический свисток (рис. 4).

Рис. 4. Схема гидродинамического свистка:

а – вид спереди; б – вид сбоку; 1 – входной патрубок; 2 – сопло;

3 – камера; 4 – пла­стина; 5 – держатель; 6 – вы­ходной патрубок

Смесь, подлежащая эмульгированию, под давлением 1-2 МПа, с большой скоростью выходит из сопла. Струя ударя­ется в ребро пластины, закрепленной на держателе. Этот удар придает пластине колебательные движения, которые соверша­ются с ультразвуковой частотой до 22 кГц. Колебания переда­ются жидкости, что приводит к измельчению дисперсной фазы. Принято считать, что диспергирование осуществляется в резуль­тате возникновения явлений кавитации.

Гомогенизация предназначена для дальнейшего диспергирования эмульсий в целях получения продукта, размер дисперсной фазы которого не превышает 1-2 мкм. Так, гомогенизации подвергают молоко, сливки.

Процесс гомогенизации осуществляют на аппаратах, назы­ваемых гомогенизаторами.

В настоящее время наибольшее распространение получили клапанные гомогенизаторы. Процесс дробления частиц проис­ходит в клапанной щели. Какая-либо эмульсия, дис­персность которой надо повысить, под давлением 8-60 МПа продавливается через щель, имеющую высоту в пределах от 80 до 100 мкм. Для создания такого давления используют трех- и шестицилиндровые плунжерные насосы, которые позволяют обеспечить равномерную подачу исходного продукта. Высота клапанной щели регулируется пружиной, которая оказывает давление на клапан.

В практике применяют одно-, двух- и даже трехступенчатые гомогенизаторы, в которых продукт проходит последовательно две или три клапанные щели. Это объясняется тем, что после 1-й и даже 2-й ступени из мельчайших частиц дисперсной фазы иногда образуются гроздья. Эти гроздья при прохождении через гомогенизирующую щель последующей ступени разрушаются.

Распыливание жидкости представляет собой процесс диспергирования жидко­сти в газовую (воздушную) среду. Он находит применение при сушке жидких и вязких продуктов, для поддержания процесса горения жидкого топлива в то­почных устройствах.

В общем случае процесс диспергиро­вания жидкости в газовую среду заклю­чается в дроблении струи или ее пленки на большое число капель и распределении этих капель в про­странстве.

Способы распиливания принято подразделять на следующие виды: гидравлический, механический, пневматический, электри­ческий, ультразвуковой, пульсационный.

Гидравлическое распыливание осуществляется за счет сво­бодного распада струи, вытекающей с большой скоростью из соплового отверстия распылителя.

Механическое распыливание осуществляется с помощью вра­щающихся дисков, в которых жидкость приобретает кинетиче­скую энергию вследствие действия центробежных сил.

При пневматическом распыливании диспергирование жидко­сти достигается в результате динамического взаимодействия по­тока распыливаемой жидкости с потоком распыливающего газа. Электрическое распыливание заключается в том, что струю жидкости подают в область сильного электрического поля. Бла­годаря воздействию поля происходят деформация и распадение струи с образованием мельчайших капель.

Ультразвуковое распыливание можно осуществить двумя способами. При первом способе жидкость подается на колеблю­щийся элемент пьезоэлектрического или магнитострикционного генератора. При втором ультразвуковым колебаниям подверга­ется газовая среда, в которой происходит диспергирование. Вто­рой путь ультразвукового распиливания часто называют аку­стическим.

Пульсационное распыливание заключается в том, что дробление жидкости осуществляется за счет пульсаций дав­ления и изменения расхода жидкости. Пульсация давления и изменение расхода жидкости достигаются путем периодического перекрытия проходных каналов в распылителях.

В настоящее время наибольшее значение в промышленности и в общественном питании имеют гидравлический, механический и пневматический способы распыливания жидкости.

Для гидравлического распыливания применяют различного рода форсунки. Среди них для пищевых производств широко применяют главным образом струйные и центробежные фор­сунки. В струйных форсункахструя жидкости, вылетая из сопла, распадается, образуя факел рас­пыла. В центробежных форсунках жидкость перед выходом из сопла приобретает вращательное движение, что спо­собствует более интенсивному распаду струи.

Для осуществления пневматического распыления применяют так называемые пневматические форсунки. Про­дукт, подлежащий распыливанию, самотеком, чаще под давле­нием, поступает на распылительную тарелку. Сюда же подается сжатый воздух, который сдувает с тарелки продукт и распыливает его.

В результате воздействия сжатого воздуха происходит достаточно равномерный распыл продукта. Размер получаемых частиц, как правило, колеблется в пределах 100-200 мкм. Подобное диспергирование затруд­нительно получить на центробежных дисках и механических форсунках.