Χημεία Μικροβιολογία και Αρχές Συντήρησης Τροφίμων ΡΕΟΛΟΓΙΑ ΤΡΟΦΙΜΩΝ

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "Χημεία Μικροβιολογία και Αρχές Συντήρησης Τροφίμων ΡΕΟΛΟΓΙΑ ΤΡΟΦΙΜΩΝ"

Χθόνιος Κομνηνός
5 χρόνια πριν
Προβολές:

1 1 Χημεία Μικροβιολογία και Αρχές Συντήρησης Τροφίμων ΡΕΟΛΟΓΙΑ ΤΡΟΦΙΜΩΝ

2 Ρεολογία είναι η επιστήμη η αφιερωμένη στη μελέτη της παραμόρφωσης και της ροής της ύλης. Η ροή των ρευστών αποτελεί ένα σημαντικό κομμάτι της, με ιδιαίτερο ενδιαφέρον για το μηχανικό, που ασχολείται με τα τρόφιμα, καθώς υπεισέρχεται στο σχεδιασμό των περισσότερων διεργασιών επεξεργασίας των τροφίμων. Επιπλέον, πολλές από τις βασικές αρχές που συνδέονται με τη ροή ρευστών μπορούν να χρησιμοποιηθούν και για την περιγραφή της ροής αιωρημάτων, κοκκοδών προϊόντων ή λεπτοδιαμερισμένων σκονών και της υφής «στερεών» τροφίμων. Το κεφάλαιο της Ρεολογίας Τροφίμων διαπραγματεύεται τις αρχές αυτές υπό το πρίσμα της πρακτικής εφαρμογής στα τρόφιμα. Δε θα πρέπει να θεωρηθεί ότι οι θεωρίες που αναπτύχθηκαν για άλλα υλικά ισχύουν πλήρως για τα τρόφιμα που είναι ιδιαίτερα πολύπλοκα συστήματα. Παράμετροι όπως η επίδραση χημικών και μικροβιολογικών δράσεων, της θερμοκρασίας και της υγρασίας στις ρεολογικές ιδιότητες πρέπει να λαμβάνονται υπόψη και συχνά προκύπτει η ανάγκη προσφυγής σε εμπειρικά μεγέθη και πειραματικές μετρήσεις ειδικά αναπτυγμένες για τα συγκεκριμένα τρόφιμα.

3 Πέραν του σχεδιασμού του απαραίτητου εξοπλισμού η ρεολογική μελέτη των τροφίμων επιτρέπει την εκτίμηση της δομής τους, της λειτουργικότητάς τους και της κατάστασής τους (π.χ. της μετουσίωσης πρωτεϊνών, ζελατινοποίησης αμύλου, σχηματισμό πήγματος κτλ). Συχνά χρησιμοποιείται για έλεγχο των πρώτων υλών ή των διεργασιών παραγωγής των προϊόντων. 3 Τέλος, δεν πρέπει να παραγνωρίζεται ότι οι ρεολογικές ιδιότητες και η υφή των περισσότερων τροφίμων σχετίζονται άμεσα με την ποιότητά τους και την αποδοχή από τον καταναλωτή. Είναι πολύ σημαντική ως εκ τούτου η μελέτη δυνατότητας συσχετισμού της ρεολογικής συμπεριφοράς των τροφίμων, όπως εκτιμάται με οργανοληπτική αξιολόγηση από ομάδες εκπαιδευμένων ή μη δοκιμαστών, με τη μέτρηση μίας ή περισσότερων ρεολογικών ιδιοτήτων με τη χρήση κατάλληλων οργάνων.

4 Ως τάση ορίζεται η δύναμη ανά μονάδα επιφανείας και συνήθως εκφράζεται σε Pascal (N/m ). Μπορεί να είναι εφελκυστική, θλιπτική ή διατμητική. 4

5 Νευτωνικά υγρά - Τέλεια ιξώδης συμπεριφορά 5 du dy μ = ιξώδες (Pa s=1000cp)

6 EΠΙΔΡΑΣΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΣΤΟ ΙΞΩΔΕΣ 6 Σχέση Arrheius: E a exp RT ref exp E a 1 1 R T T ref lμ 10<Ea<40 kj/mol 1/Τ ΓΕΝΙΚΗ ΡΕΟΛΟΓΙΑ

7 Μη νευτωνικά υγρά ρεολογικά μοντέλα 7 du dy y Πλαστικά Bigham < 1 du K dy γ > 1 Ψευδοπλαστικά Πηγνυόμενα ή εκτατά Κ: σταθερά συνεκτικότητας (Pa s ) : δείκτης ρεολογικής συμπεριφοράς K du dy y < 1 > 1 Πλαστικά Casso Μικτού τύπου πηγνυόμενο Herschel Bulkley

8 Υπολογιστικά παραδείγματα 8 Προϊόν % στερεά Τ( C) K(Pa s ) Τ y (Pa) Πολτός μήλου Πουρές βερίκοκο Συμπύκνωμα πορτοκάλι

9 Υπολογιστικά παραδείγματα 9 Προϊόν % στερεά Τ( C) K(Pa s ) Τ y (Pa) Κέτσαπ Γάλα ομογενοποιημένο Τήγμα σοκολάτας Μέλι Ελαιόλαδο Μαγιονέζα Φαινόμενο ιξώδες du dy K du dy du dy 1 K 1

10 ΕΙΔΗ ΡΕΟΛΟΓΙΚΗΣ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ ΡΕΥΣΤΩΝ 10 Eίδη Ρευστών Νευτωνικά Ψευδοπλαστικά Πηγνυόμενα ή Εκτακτά Τύπου Bigham Τύπου Herschel - Bulkley Τυπικό διάγραμμα ρυθμού διάτμησηςδιατμητικής τάσης ΓΕΝΙΚΗ ΡΕΟΛΟΓΙΑ

11 Πλαστικά Bigham 11 Πλαστικά Casso τ Ψευδοπλαστικά Νευτωνικά υγρά Πηγνυόμενα ή εκτατά K 1 γ Ψευδοπλαστικά Πηγνυόμενα ή εκτατά μ α Νευτωνικά υγρά γ

12 Πολτός μπανάνας 1 T = 340 K (67 C) τ τ(10-4 Ρα) γ(10-3 s-1 ) logτ log logk log γ Κλίση = = Κ= Ρα s logγ

13 ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΕΞΑΡΤΩΜΕΝΗ ΤΟΥ ΧΡΟΝΟΥ 13 Θιξοτροπική Συμπεριφορά: Ψευδοπλαστική συμπεριφορά εξαρτώμενη του χρόνου Αντιθιξοτροπική Συμπεριφορά: Πηγνυόμενη συμπεριφορά εξαρτώμενη του χρόνου ΓΕΝΙΚΗ ΡΕΟΛΟΓΙΑ

14 Μη νευτωνικά υγρά εξαρτώμενα από το χρόνο διάτμησης 14 Θιξοτροπικά Ρεοπηκτικά μ α 1 Θιξοτροπικό Σχ. 3 t τ (dyes/cm ) t = 0 mi t = 4 mi t = 40 mi 1000 d dt 0.8 ( 40 ) γ (s -1 )

15 ΙΞΩΔΟΜΕΤΡΑ 15 ΠΕΡΙΣΤΡΟΦΙΚΟΥ ΤΥΠΟΥ Ομόκεντρων Κυλίνδρων Κώνου Πλάκας Παράλληλων Δίσκων ΤΥΠΟΥ ΣΩΛΗΝΩΝ Τριχοειδή

16 ΜΕΤΡΗΣΗ ΙΞΩΔΟΥΣ Εξίσωση Poiseille για μη Νευτωνικά υγρά για τριχοειδή ροόμετρα 16 r L Σχ. 5 K u( r) Q R 0 du dr P LK Pr L 1/ u 1 P u( r)rdr KL 0 du R ( 1)/ 1/ P LK 3 r 1/ R ( 1)/ R 1 r r 1/ dr (31)/

17 17 ΔΡ Q R K Q L 1)log (3 1 3 log log log log ) log( log(δp/l) log(q) κλίση =

18 log(δp/l) ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ R = cm L = 0.9 m Υπολογισμός ιξώδους Πολτού μήλου 18 Q (10-4 m 3 /s) ΔΡ(10 5 Pa) log( / L) log K log log 3 1 Με τη μέθοδο γραμμικής παλινδρόμησης βρίσκουμε τη βέλτιστη σχέση που περιγράφει τα πειραματικά μας δεδομένα: log(δp/l)= logq Από τη σχέση αυτή προσδιορίζονται οι ρεολογικές παράμετροι: =0.79 και Κ=5.01 Pa s 0.79 Το φαινόμενο ιξώδες για γ=0s -1 είναι: μ α =0.578 Pa s a K (3 1)log R logq Y=0.793x R = log(q)

19 19 Εξίσωση για πλαστικά Bigham Q 4 R 8L / ( / ) y w y w ω ΠΕΡΙΣΤΡΟΦΙΚΑ ΙΞΩΔΟΜΕΤΡΑ R i 1. Ομοκέντρων κυλίνδρων Ro h du dr r dw dr r h Για =1: dw r dr 1 1 4hi Ri Ro Για πλαστικά Bigham: w 1/ R Σχ. 7 i i dr 1 1 dw i ( )/ / / hk r R hk Ri R 0 o i 4h Ri R o o 1 1 y Ro l R i 1/

20 . Απλής ατράκτου 0 i hk 1/ 1 R / i και φαινόμενο ιξώδες: 1 1 (4) log 1 log K log ( 1) log(4) 3. Κώνου πλάκας ω=πν R ψ τ 3Ω ππ 3 γ ω taψ ΠΙΠΤΟΥΣΑΣ ΣΦΑΙΡΑΣ u D( s ) 18 (Εξίσωση Stokes)

21 τ 3Ω ππ 3 γ ω taψ ω=πν R 1 Προσδιορισμός ρεολογικών παραμέτρων μη Νευτονικού ρευστού Για τον υπολογισμό δικτύου μεταφοράς συμπυκνωμένου πολτού βερίκοκου (41% στερεά, 7 C) έγιναν πειραματικές μετρήσεις για να υπολογιστούν τα ρεολογικά του χαρακτηριστικά, στις συνθήκες άντλησης, με περιστροφικό ιξωδόμετρο κώνου-πλάκας και έδωσαν τις τιμές του παρακάτω πίνακα για την ροπή Ω και τον αριθμό στροφών Ν. Τα χαρακτηριστικά του ιξωδομέτρου είναι R=5cm, ψ=3. Ζητείται να υπολογιστεί το φαινόμενο ιξώδες για γ=15 s-1. ψ Ω (Pa.m 3 ) 0,03 0,0317 0,0707 0,159 N (RPM) Από τις μετρήσεις και τις σχέσεις υπολογίζονται η διατμητική τάση και κλίση ταχύτητας διάτμησης. τ (Pa.s) γ (s -1 ) Με τη μέθοδο γραμμικής παλινδρόμησης βρίσκουμε τη βέλτιστη σχέση που περιγράφει τα πειραματικά μας δεδομένα : logτ = 1, ,349 logγ Από τη σχέση αυτή προσδιορίζονται οι ρεολογικές παράμετροι: = 0,349 και Κ=54,1 Pa.s0,349. To φαινόμενο ιξώδες για γ=15 s-1 βρίσκεται από τη σχέση μa= K γ -1 : μ a = 9,8 Pa.s = 980 cp.

22 ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΑΝΤΛΗΣΗΣ ΜΗ ΝΕΥΤΩΝΙΚΩΝ ΥΓΡΩΝ Z P1 ' P ( KE) 1 W Z ( KE ' 1 ) E f KE u α a (4 )(5 3) 3(3 1) E f όπου ( f ) f u L R K Re f u a 1 u a 1 1 A A 16 f (Ν N Re <100) 1 / 0. N Re( f ) 1. 1/ 4 4 log 0.75 K K f f N Re 3 u 0.4(1.5 D /D ) για /D D (1.5 D /D ) για /D Κ f = 0.74 για γωνία 90º std 1 D για γωνία 90º τετράγωνη και 0.13 για ανοικτή θυροβάνα 6.0 για ανοικτή σφαιρική βάνα 3.0 για ανοικτή γωνιακή βάνα D 3 1 K

23 ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΙ ΑΝΤΛΗΣΗΣ ΜΗ ΝΕΥΤΩΝΙΚΩΝ ΥΓΡΩΝ 3

24 «Στερεά τρόφιμα» - Ιξωδοελαστικά μοντέλα 4 Μοντέλο Maxwell d dt E E de dt E τ : τάση εφελκυσμού ή θλίψης Ε: μέτρο ελαστικότητας e: ανηγμένη παραμόρφωση τ μ Για de/dt=0 (σταθερή παραμόρφωση) : τ (t)= τ ο exp[(-e/μ) t] τ ο =E e e o E o lτ τ t t

25 Μοντέλο Kelvi 5 d e dt E de dt 1 d dt τ : τάση εφελκυσμού ή θλίψης Ε: μέτρο ελαστικότητας e: ανηγμένη παραμόρφωση μ τ E Για dτ /dt=0 (τάση σταθερή) : e ( t ) E 1 exp t e e όπου τ ο =τ =cost και e =τ ο /Ε t

26 Παράδειγμα συμπεριφοράς Maxwell 6 e = 0.15 t (sec) t (kpa) Τ ο =Ε e -> Ε=7 kpa logτ μ =, kpa s t

27 Παράδειγμα βισκοελαστικής συμπεριφοράς Maxwell 7 Πείραμα τάσης χαλάρωσης σε ένα δείγμα αλλαντικού έδωσε τις τιμές τάσης χρόνου που δίνονται στον πίνακα. Εάν η σταθερή ανηγμένη παραμόρφωση ήταν e=0.15 να βρεθούν οι μηχανικές παράμετροι του προϊόντος. t (s) τ (kpa) 108,3 103,4 10,1 96,5 93,1 89,6 89,6 84,1 8,7 79,3 76,5 Για de/dt=0 (σταθερή παραμόρφωση) : τ (t)= τ ο exp[(-e/μ) t] τ ο = Εe Ε = 108,3/0,15 = 7kPa = ΜΕΤΡΟ ΕΛΑΣΤΙΚΟΤΗΤΑΣ Στη συνέχεια κατασκευάζουμε το διάγραμμα τάσης ως προς το χρόνο τ Y=107.70e x R =0.991 ΙΞΩΔΕΣ Ε/μ=0, > μ=, Pa s t (s)

28 ΙΞΩΔΟΕΛΑΣΤΙΚΟΤΗΤΑ 8 ΓΡΑΜΜΙΚΗ Διατμητική τάση ανεξάρτητη της παραμόρφωσης ή του ρυθμού παραμόρφωσης ΜΗ ΓΡΑΜΜΙΚΗ Μηχανικές διεργασίες, όπως μάσηση και κατάποση ΔΟΚΙΜΕΣ ΜΗ ΣΤΑΘΕΡΗΣ ΔΙΑΤΜΗΣΗΣ Δοκιμές Αιφνίδιας Μεταβολής Τάσης (Trasiet Tests) Ροή Διάτμησης με Ταλάντωση (Oscillatory Shear Flow) ΙΞΩΔΟΕΛΑΣΤΙΚΟΤΗΤΑ

29 ΡΟΗ ΔΙΑΤΜΗΣΗΣ ΜΕ ΤΑΛΑΝΤΩΣΗ 9 Διάτμηση με μικρού πλάτους ταλάντωση (Small Amplitude Oscillatory Shear-SAOS) ιξωδοελαστικές ιδιότητες τροφίμων G (storage modulus) ποσότητα ενέργειας που αποθηκεύεται στο υλικό ή ανακτάται ανά κύκλο παραμόρφωσης. G (loss modulus) μέτρο της ενέργειας που χάνεται σαν ιξώδη σκόρπισμα ανά κύκλο παραμόρφωσης γωνία δ διαφορά φάσης μεταξύ τάσης και παραμόρφωσης ΔΟΚΙΜΗ ΤΑΛΑΝΤΩΣΗΣ

30 ΡΟΗ ΔΙΑΤΜΗΣΗΣ ΜΕ ΤΑΛΑΝΤΩΣΗ 30 Σ`ένα τελείως ελαστικό στερεό: όλη η ενέργεια αποθηκεύεται το G είναι μηδέν η τάση και η παραμόρφωση είναι σε φάση Σ`ένα υγρό: όλη η ενέργεια εκλύεται ως θερμότητα το G είναι μηδέν η τάση και η παραμόρφωση είναι εκτός φάσης κατά 90º Τάση συναρτήσει της παραμόρφωσης για ένα νευτωνικό υγρό και ένα τέλεια ελαστικό στερεό ΔΟΚΙΜΗ ΤΑΛΑΝΤΩΣΗΣ

31 ΣΥΣΧΕΤΙΣΜΟΣ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟΥ ΚΑΙ ΣΥΝΘΕΤΟΥ ΙΞΩΔΕΣ 31 Κανόνας Cox - Merz * ( ) ( ) a για Γενικευμένος Κανόνας Cox - Merz * ( ) C ( ) a για

32 ΜΕΤΡΗΣΗ ΥΦΗΣ 3 Πενετρόμετρα Διείσδυση βελόνας, ράβδου, κώνου Για «πλαστικά» υλικά, π.χ. μαργαρίνες (spreadability) Για φρούτα Μαγιονέζα: Plummet Ζελέδες, κρέμες: gelly tester Εκβολείς (extruders) Εξτενσιογράφος (ζυμαρικά) Προσομοιωτές μάσησης (κυκλική καταπόνηση) Τεξτουρόμετρα (texturometer) Hardess = L 1 Adhesiveess = A 3 A A 1 L 1 Cohesiveess = A /A 1 Elasticity = 68.5-B Chewiess = L 1 (A /A 1 )(68.5-B) Gumiess = L 1 (A /A 1 ) A 3 B

Σχετικά έγγραφα

ΡΕΟΛΟΓΙΑ ΤΡΟΦΙΜΩΝ Ρεολογία

1 ΡΕΟΛΟΓΙΑ ΤΡΟΦΙΜΩΝ Ρεολογία είναι η επιστήµη η αφιερωµένη στη µελέτη της παραµόρφωσης και της ροής της ύλης. Η ροή των ρευστών αποτελεί ένα σηµαντικό κοµµάτι της, µε ιδιαίτερο ενδιαφέρον για το µηχανικό,