Гомогенизация многокомпонентных порошкообразных смесей

Клетки микроорганизмов характеризуют геометрическими размерами, плотностью, прочностью и упруговязкими свойствами оболочки клетки. В микробиологической отрасли дезинтеграторы позволяют реализовать глубокую переработку сырьевых материалов, обеспечивающую эффективное использование всех смешиваемых компонентов и даже усилить степень воздействия добавок-модификаторов.

В биотехнологических процессах дезинтеграция клеток связана с проблемой комплексной переработки биомассы для получения белковых веществ пищевого и кормового назначения, а также биологически активных продуктов. Использование для измельчения биоматериалов уже существующих аппаратов показало их полную неприменимость из-за высокой механической прочности клеточных стенок и крайне малых размеров этих объектов. Прочность клеточных стенок сопоставима с прочностью стали. Для разрушения биоструктур, по расчетам, нужны воздействия порядка 10−7 мин.-1, но применение таких воздействий оказалось в то же время приводит к деградации нужных компонентов (4).

Оболочка клеточной системы всех микроорганизмов обеспечивает ее устойчивость к воздествиям внешней среды и явяляется межфазым граничным образованием. В механических расчетах принято считать, что оболочка имеет радиус, превышающий его толщину в 100 раз. Для анализа воздействия механических нагрузок на клеточную оболочку вводится параметр концентатор напряжений. Измерение модуля упругости и прочности клеточных оболочек применяют специальную экспериментальную технику и специально разработанные методы. Данных об упругих показателях клеточной оболочки получено немного из-за трудностей проведения этих экспериментов, но имеющиеся подтверждают высокую прочность клеточных оболочек всех микроорганизмов.

Одним из широко применяемых приемов при помоле биоматериалов известный метод охлаждения. В этом случае разрушение клеток происходит под действием сил удара, раздавливания и среза. Основной причиной разрушения клеток в дезинтеграторах сдвиговое течение твердой среды. Учитывая, что в дезинтеграторах большую роль играет пластично-хрупкое разрушение возможно применение в дезинтеграторах мелющих тел из полимерных материалов.

При расчете дезинтеграторов рассмотрение этих процессов с точки зрения неравновесной термодинамики является основой. В этих расчетах стараются учесть влияние температур, концентрации давлений, но все-таки следует указать, что для проведения точных термодинамических расчетов еще нет достаточного количества справочных материалов, подтвержденных практикой. Поэтому, учитывая быстрый рост потребностей в дезинтеграторах, обеспечивающих хорошую гомогенизацию порошковых материалов, большая роль при конструировании аппаратов гомогенизации отводится экспериментальному подбору режимов смешивания и дезинтеграции.

Теория механизма дезинтеграции показала, что дезинтеграция является совокупностью физических, физико-химических и чисто химических процессов. Сейчас разрабатываются на этой теоретической основе пути инженерных расчетов, учитывающих специфику всех случаев гомогенизации многокомпонентных смесей. Создание теоретической базы для расчета дезинтеграторов, выполняющих одновременно функции гомогенизации, проводятся параллельно с производством опытных и промышленных установок.

Одним из таких аппаратов является баллистический дезинтегратор ФУГ-1. Принцип его действия основан на послойном перемешивании полимерных мелющих шаров с материалом, движущихся в мощном потоке центробежных сил. Измельчающее действие создается фрикционным контактом мелющих тел. На рис. показан общий вид установки и схема контакта мелющих тел и частиц.

а) б)

Рис. 1. а) — Внешний вид баллистического дезинтегратора ФУГ-1;

б) — схема контакта частиц с мелющими телами.

Экспериментальные исследования в связи с развитием комплексной переработки биомассы для получения белковых веществ пищевого и кормового назначения выявили, что интенсивность воздействий, необходимых для разрушения клеток биоматериалов и их внутренних структур составляет около 3−5 порядков. Это явилось толчком к развитию дезинтеграторов, основанных на ультразвуковм принципе. Основным преимуществом ультразвуковых установок является легкость производства. причем ультразвуковые поля могут быть сформированы в любых конфигурациях и размерах. Энергонапряженность и производительность процесса ультразвуковой дезинтеграции также может находиться в широких пределах.

Ультразвукове воздействие обусловлено в данном случае кавитационной природой газовых пузырьков в звуковом поле. Движение таких пузырьков приводит к появлению высокоградиентных потоков, ударных волн, локальных скачков давления и температуры. Основным узлом ультразвукового дезинтегратора является камера, в которой ультразвуковые колебания создают с помощью пьезоэлектрического диска и передают их специальной иглой. На рис. 2 приведена схема ультразвукового лабораторного дезинтегратора фирмы MSE.

Более мощным устройством являются дезинтеграторы, работающие по принципу электрогидроударных. Но они предназначены для приготовления гомогенных смесей содержащих жидкость, т. е. для суспензий.

Рис. 2 Схема ультразвукового лабораторного дезинтегратора.

В пищевой, биохимической, химической промышленности и в производстве строительных материалов применяют для получения хорошо гомогенизированных многокомпонентных смесей спиральные смесители-дезинтеграторы. Технические данные их приведены в таблице 1., из которой следует, что на одной принципиальной схеме работают смесители, рассчитанные на разные партии смешиваемых материалов. Схема спирального смесителя представлена на рис. 3. Он состоит корпуса, в котором находится спираль, осуществляющая перемешивание. Смешиваемая смесь подается через загрузочную воронку и после прохождения цикла гомогенизации смесь разгружают через разгрузочный патрубок.

Таблица 1.

Технические данные:

10С3 4С8 10С2 Объем камеры смесителя, л 100 200 1200

Инсталлированная мощность, kW 0,75 1,5 7,5 Скорость вращения мешалки, мин-1 35 50 30 — 40 Количество спиралей 1 — 2 1 — 2 2 Габаритные размеры, мм - диаметр камеры 500 600 1150 - высота 1280 2350 1850

Масса, кг 85 150 650 Уровень шума, dB 50 55 70

Рис. 3. Спиральный смеситель.

Еще один вид смесителей-гомогенизаторов, используемых в пищевой, биохимической, химической примышленности и в производстве строительных материалов называют смеситель типа «пьяная бочка». Технические характеристики этого типа смесителей представлены в таблице 2. Он представляет собой цилиндрическую емкость, вращающейся в горизонтальной плоскости по сложной траектории. Загрузка материала производится через верхнее отверстие при повороте барабана в вертикальное положение.

Таблица 2.

4С4 4С6 Объем барабана смесителя, л 250 400 Инсталлированная мощность, kW 2,2 3,0 Частота вращения барабана, мин-1 25 — 40 25 — 40 Габаритные размеры, мм - длина 1400 1790 - ширина 1140 1400 - высота 1130 1260

Масса, кг 250 450 Уровень шума на расстоянии 1 м, dB 70 80

Заключение

Гомогенизация — это процесс создания однородной гомогенной структуры в многофазной системе путем ликвидации микронеоднородностей по концентрации, образующихся при смешивании порошков. Гомогенизацию порошкообразных смесей производят перемешиванием во вращающихся барабанах, в которых реализуются высокоскоростная кавитация или применяют ультразвуковое перемешивание или при помощи высокоскоростной кавитации. Гомогенизацию применяют в производстве значительного колическтва видов пищевых продуктов длительного хранения, лекарственных препаратов — порошков, концентратов красящящих пигментов и материалов силикатной и строительной промышленности. Так в пищевой промышленности изготавливают легкорастворимые полуфабрикаты супов, напитков, пудингов и т. п.; смешивают различные виды кофе, смесей для производства какао, капучино, а также изготавливают смеси для производства хлебобулочных и кондитерских смесей. Гомогенизация необходима при производстве приправ чаев, семян трав, полуфабрикатов фармацевтического характера, а также при производстве кормовых смесей. Гомогенизация является также обязательным и очень важным процессом в производстве разного рода силикатных (керамики, стекла, огнеупоров и строительных) материалов, а также в порошковой металлургии.

Для проведения процесса гомогенизации необходимо знать свойства смешиваемых материалов, физико-химические процессы, протекающие при смешивании порошков, характер влияния разных факторов на протекание процесса гомогенизации. Основываясь на исследовании процессов смешивания различных по свойствам материалов, разработаны аппараты гомогенизации и смешивания, учитывающие индивидуальные свойства веществ и специфику их смешивания.

1. Никольский В. П. Физическая химия: теоретическое и практическое руководство. Л.: Химия, 1987

2. Белик В. В., Киенская К. И. Физическая и коллоидная химия. М.: Асадемия, 2005

3. Кутепов А. М., Бондарева Т. И., Беренгартен М. Г. Общая химическая технология. М.: Высшая школа, 1985

4. Лонцин М., Мерсон Р. Основные процессы пищевых производств. М.: лег. и пищ. пром., 1983

5. Кавецкий Г. Д., Королев А. В. Процессы и аппараты пищевых производств. М.: Агропромиздат, 1991.

Доклад по теме «Гомогенизация многокомпонентных порошкообразных смесей»

Гомогенизация и смешивание порошкообразных многокомпонентных материалов является важной областью технологических знаний, которые базируются на изучении физико-химических процессов, протекающих в материалах при механическом воздействии. Целью гомогенизации смесей любых систем, в том числе многокомпонентных порошкообразных является стабилизация дисперсной фазы. Гомогенизация, происходящая при дроблении вещества, называется механической стабилизацией смеси. Гомогенизация затрудяет процессы разделения смеси на отдельные ингредиенты при их хранении. Это подтверждается аналитическими расчетами и экспериментальным материалом.

Смешивание порошкообразных материалов необходимо производить в производстве строительных материалов, в керамической и огнеупорной промышленности, при подготовке сырьевых материалов для синтеза стекол, в фармацевтическом и пищевом производстве, в производстве красок и в порошковой металлургии. Технология производства смесей включает достаточно большой объем знаний, имеющих цель обеспечение максимального уровня гомогенизации.

В связи с тем, что в последние годы ученые разных стран открыли возможность получения белковых веществ пищевого, кормового и технического назначения, интерес к технологии гомогенизации многокомпонентных смесей с высокой степенью совмещения разных порошкообразных материалов возрос многократно и для этих целей разрабатывается специальное оборудование, включающее и гомогенизаторы.

Порошки относят к высококонцентрированным дисперсным системам. Их рассматривают как системы, в которых дисперсионной средой является воздух или другой газ. В порошках частицы дисперсной фазы находятся в контакте друг с другом, и при этом межу ними образуется межзеренная поверхность, обладающая отличными от основной массы свойствами и определяющая многие свойства многокомпонентной смеси. На основании рассмотрения свойств, характеризующих порошкообразные смеси, можно говорить, что при проведении гомогенизации многокомпонентных порошкообразных смесей, необходимо учитывать специфику этих смесей.

Количественные изменения, в частности дисперсности веществ, приводят к появлению у вещества новых свойств, отличных от свойств вещества в макросостоянии. Если рассматривать эти изменения с физико-химической точки зрения, то можно говорить об увеличении удельной реакционной способности (активности) при увеличении дисперсности твердых тел.

Оценка термодинамических эффектов процессов, происходящих при разрушении частиц механическим воздействием, показала, что наибольший вклад в величины мольной энтальпии дефектов вносят процессы внешнего и внутреннего трения. С позиций теории Журкова, если процесс измельчения, совмещен с процессом перемешивания, то обязательно происходит процесс релаксации энергии, запасенной при формировании структуры материала.

При описании процессов перемешивания и гомогенизации порошки испытывают многократные импульсные воздействия, которые можно описать как неупругие соударения шаров. При этой схеме рассмотрения разрушения и смешивания очевидными становятся факторы, определяющие характер процессов протекащих при гомогенизации многокомпонентных смесей. Согласно уравнению Стокса, диаметр частиц оказывает влияние на скорость разделения в соотношении пропорциональном квадрату диаметра частиц.

Получение однородной по составу порошкообразной многокомпонентной смеси является очень важной и сложной технологической операцией. В связи с тем, что порошкообразные компоненты смеси обладают различными физико-химическими свойствами: дисперсностью, насыпной плотностью, влажностью, текучестью и др. выбор оборудования необходимо производить с учетом свойств смешиваемых материалов и возможностей оборудования.

Для проведения процессов гомогенизации и измельчения разного вида материалов разработаны соответствующие рекомендации по применению типа оборудования и режимов проведения этих процессов. Эти сведения изложены в специальной справочной литературе, принципы конструирования аппараратуры описаны в учебных пособиях по процессам и аппаратам химических, фармакологических, пищевых, металлургических производств.

Учитывая, что для получения требуемого комплекса свойств материалов, относящихся к любой отрасли, составы материалов постоянно усложняются, причем достижение нужных результатов добиваются введением в состав нескольких активных, так называемых, легирующих добавок, а содержание этих добавок бывает незначительным. Поэтому ранее используемое для получения гомогенных смесей оборудование не обеспечивает достаточного уровня однородности материалов и, следовательно, их качества.

Кроме того в последние годы нашло практическое применение такое направление как глубокая переработка сырьевых материалов, имеющая целью максимальное использование природных свойств материалов. Это относится к микрогетерогенным процессам смешивания в микробиологической промышленности. Возможности процесса дезинтеграции особенно хорошо просматриваются при рассмотрении, особенно активно развиваемого направления — биотехнологии. Дезинтеграция в биотехнологии применяют для проведения процессов анатомического нарушения целостности клеток, измельчения, раздробления и дезинтеграции вирусов. Клетки микроорганизмов характеризуют геометрическими размерами, плотностью, прочностью и упруговязкими свойствами оболочки клетки. В микробиологической отрасли дезинтеграторы позволяют реализовать глубокую переработку сырьевых материалов, обеспечивающую эффективное использование всех смешиваемых компонентов и даже усилить степень воздействия добавок-модификаторов.

На приведенных ниже рисунках представлены некоторые принципиальная схема спирального смесителя с схемы

Рис. 1 Схема спирального смесителя для порошкообразных материалов.

Рис. 2 Схема ультразвукового смесителя — дезинтегратора для порошкообразных материалов.

а)

б) Рис. 3 а) — Внешний вид баллистического дезинтегратора ФУГ-1;

б) — схема контакта частиц с мелющими телами