Thực hành quá trình kỹ thuật thực phẩm cơ bản - Bài 2: Độ nhớt thực phẩm

Nội dung text: Thực hành quá trình kỹ thuật thực phẩm cơ bản - Bài 2: Độ nhớt thực phẩm

1. Thực hành quá trình kỹ thuật thực phẩm cơ bản 8 Bài 2 ĐỘ NHỚT THỰC PHẨM 2.1 Mục đích thí nghiệm Tìm hiểu đặc tính nhớt của chất lỏng Newton và chất lỏng phi Newton. Xác định độ nhớt của một số chất lỏng thực phẩm bằng nhớt kế mao quản và máy đo độ nhớt trục quay. 2.2 Cơ sở lý thuyết 2.2.1 Khái niệm về độ nhớt Lưu chất không có khả năng chịu lực cắt, và một khi có lực này tác dụng, nó sẽ chảy và xuất hiện lực ma sát bên trong. Hình (2.1) mô tả một cách định tính biến thiên của một dòng chảy bên trên một thành rắn. Vận tốc của phần tử lưu chất tiếp xúc với thành rắn bằng 0. Càng ra xa thành rắn, vận tốc của các phần tử lưu chất càng tăng. Ta có thể chia lưu chất thành các lớp chuyển động song song nhau. Ứng suất ma sát (lực ma sát trên một đơn vị diện tích) giữa các lớp do sự chuyển động tương đối giữa chúng phụ thuộc vào gradient vận tốc (du/dy hay J) giữa các lớp. Sự phụ thuộc này được mô tả bởi định luật Newton: du W = P (2.1) dy Trong đó P là độ nhớt động lực học (độ nhớt), W là ứng suất cắt y u u + du dy u du u Hình 2.1: Mô tả sự biến thiên của dòng chảy Bộ môn thiết bị – Khoa Công Nghệ Thực Phẩm ĐHNL
2. Thực hành quá trình kỹ thuật thực phẩm cơ bản 9 Chất lỏng được phân loại thành 2 nhóm: - Chất lỏng Newton: là những chất lỏng mà đường biểu diễn mối quan hệ giữa ứng suất cắt W và vận tốc cắt du/dy là một đường thẳng đi qua gốc tọa độ. Những chất lỏng này tuân theo định luật Newton về độ nhớt: du W = P với P = const (2.2) dy Ví dụ: nước, dung dịch loãng, dung môi hữu cơ, sữa, nước trái cây, dầu thực phẩm - Chất lỏng phi Newton: là những chất lỏng không tuân theo định luật Newton về độ nhớt. Mối quan hệ giữa ứng suất cắt và tốc độ cắt không phải là đường thẳng hoặc không đi qua gốc tọa độ. Để mô tả lưu chất phi Newton người ta dùng phương trình sau: n W = m.J + Wy (2.3) Trong đó n: chỉ số đặc tính dòng chảy. m: chỉ số độ đặc. Sự phụ thuộc của ứng suất cắt và gradient vận tốc của một số lưu chất được mô tả như hình 2.2: W Lѭu chҩt Bingham plastic Lѭu chҩt Newton du/dy Hình 2.2: Sự phụ thuộc của ứng suất cắt và gradient vận tốc Bên cạnh độ nhớt động lực học, người ta còn sử dụng khái niệm độ nhớt động học Q được định nghĩa: P Q = , với U: khối lượng riêng của lưu chất . (2.4) U Bộ môn thiết bị – Khoa Công Nghệ Thực Phẩm ĐHNL
3. Thực hành quá trình kỹ thuật thực phẩm cơ bản 10 Đơn vị đo lường của độ nhớt: 1 cP = 10-3 Pa.s = 10-3 kg/m.s. 1 stoke = 1 cm2/s. 2.3 Các phương pháp đo độ nhớt 2.3.1 Đo độ nhớt bằng nhớt kế mao quản Nguyên lý: nếu cho chất lỏng chảy qua các mao quản, chất lỏng càng có độ nhớt cao thì chảy càng chậm. Vì vậy ta có thể dựa vào tính chất đó để xác định độ nhớt của chất lỏng. Đối với dòng chảy tầng ổn định của chất lỏng Newton trong ống mao dẫn, phương trình cổ điển của Hagen Poiseuille đã đưa ra những nền tảng cho việc đo lường độ nhớt. 'P.S.R 4 Q = (2.5) 8.P.L trong đó, Q : lưu lượng thể tích, m3/s. 'P : tổn thất áp suất dọc theo ống mao dẫn, Pa. R: đường kính ống mao dẫn, m. L: chiều dài ống mao dẫn, m. P : độ nhớt chất lỏng, Pa.s Ngoài ra, tổn thất áp suất 'P = U.g.h (2.6) Với U : khối lượng riêng chất lỏng, kg/m3. h: chiều cao cột thủy tĩnh, m. h= L.cosD , với D là góc tạo bởi ống mao dẫn với phương thẳng đứng g: gia tốc trọng trường, m/s2. Thay phương trình (2.6) vào phương trình (2.5) ta được: P S.R4.g.h Q . (2.7) U 8.L.Q Trong đó Q : độ nhớt động học của chất lỏng, m2/s Gọi V là thể tích chất lỏng chảy trong ống mao dẫn trong thời gian t , ta có V Q = t Bộ môn thiết bị – Khoa Công Nghệ Thực Phẩm ĐHNL
4. Thực hành quá trình kỹ thuật thực phẩm cơ bản 11 Phương trình (2.7) được viết lại như sau: S.R4.g S.R4.g.h Q = ( cosD )t = ( )t. (2.8) 8.V 8.L.V Khi cho chất lỏng chảy từ điểm C đến E , thể tích V và chiều cao cột áp thủy tĩnh h là cố định, do đó biểu thức trong dấu ngoặc trở thành hằng số. Phương trình (2.8) được viết đơn giản như sau: Q = b.t (2.9) S.R4.g S.R 4 .g.h Trong đó b = [ cosD ] = [ ] là hằng số của nhớt kế. 8.V 8.L.V A C E F H ình 2.3: Cấu tạo nhớt kế mao quản Ostwald. Hằng số nhớt kế có thể xác định bằng cách thay các giá trị của thông số nhớt kế hoặc bằng cách đo thời gian chảy của một chất lỏng đã biết độ nhớt, khi đó: b= Q known / t known Khi đã biết được hằng số nhớt kế, ta có thể xác định được độ nhớt động học Q của chất lỏng cần kiểm tra bằng cách đo thời gian t và sử dụng phương trình (2.9). Từ đó xác định được độ nhớt động lực học P . Có nhiều loại nhớt kế mao quản với hình dạng khác nhau. Trong bài thí nghiệm này chúng ta sử dụng nhớt kế Ostwald có cấu tạo như hình 2.3. Bộ môn thiết bị – Khoa Công Nghệ Thực Phẩm ĐHNL
5. Thực hành quá trình kỹ thuật thực phẩm cơ bản 12 2.3.2 Đo độ nhớt bằng máy đo độ nhớt trục quay: Nguyên lý: độ nhớt chất lỏng được đo bằng cách cho trục xylanh quay ở một tốc độ chọn trước và ở một moment quay cần thiết để thắng lực cản độ nhớt của chất lỏng cần đo. Phương pháp này cho phép ta xác định liên tục mối quan hệ giữa ứng suất cắt và tốc độ cắt. Với chất lỏng Newton (P ít thay đổi theo số vòng quay), độ nhớt được tính như n ¦ P i sau: P = i 1 , n: số lần đo (2.10) n Với chất lỏng phi Newton, ta tìm 2 chỉ số m, n ở phương trình sau: log (P ) = nlog(1/n) + log(m) + (n-1)log(4S N) (2.11) với: N: tốc độ quay của xylanh (vòng/s) P : độ nhớt của chất lỏng tương ứng với tốc độ quay N (Pa.s) Khi thay đổi P ta tìm hồi quy tuyến tính giữa log(P ) và log(4SN) để xác định m và n. Hình 2.4: Cấu tạo máy đo độ nhớt trục quay. Bộ môn thiết bị – Khoa Công Nghệ Thực Phẩm ĐHNL
6. Thực hành quá trình kỹ thuật thực phẩm cơ bản 13 Hình 2.5: Cấu tạo bên trong máy & các loại Spindle. 2.4 Phương pháp thí nghiệm 2.4.1 Đo độ nhớt chất lỏng Newton bằng nhớt kế mao quản: Dung dịch mẫu: nước ÿѭӡng ӣ các nӗng ÿӝ 0, 10, 20, 30, 40, 50% và nước cam ép. Cách tiến hành: 1. Tráng nhớt kế bằng chính dung dịch cần đo ít nhất 2 lần. 2. Cho 20ml dung dịch mẫu vào nhớt kế. 3. Dùng quả bóp cao su hút ở nhánh A hoặc đẩy vào ӕng mao dүn F cho mặt chất lỏng dâng cao khỏi vạch C (khi hút hoặc đẩy phải làm từ từ và tránh có bọt khí lẫn trong chất lỏng). 4. Bỏ quả bóp ra để chất lỏng chảy tự do xuống. Dùng đồng hồ bấm giây đo thời gian chất lỏng chảy từ vạch C đến vạch E. 5. Lặp lại phép đo bằng cách thực hiện lại từ bước 2 đến bước 4. Đo thời gian ít nhất 3 lần để lấy giá trị trung bình. Lưu ý: sau mỗi lần đo phải rửa sạch nhớt kế bằng nước cất, sau đó tráng lại bằng aceton và làm khô hoàn toàn nhớt kế. Bộ môn thiết bị – Khoa Công Nghệ Thực Phẩm ĐHNL
7. Thực hành quá trình kỹ thuật thực phẩm cơ bản 14 2.4.2 Đo độ nhớt bằng máy Brookfield Dung dịch mẫu: - đường sucrose nӗng ÿӝ 40% - puree cà chua nguyên chất - puree cà chua nguyên chất + 10ml nước cất - puree cà chua nguyên chất + 20ml nước cất - nước cam ép Cách tiến hành: 1. Cho khoảng 400ml mẫu chất lỏng vào cốc thủy tinh 500ml và đặt cốc vào bình điều nhiệt (30oC) trong 10 phút. Đo nhiệt độ mẫu. 2. Chọn spindle phù hợp với mẫu cần đo (đường kính spindle càng lớn khi độ nhớt càng nhỏ). 3. Chọn tốc độ quay sao cho %moment quay trong khoảng 30 - 70%. 4. Ghi nhận độ nhớt ứng với từng tốc độ quay đã chọn (ít nhất là 5 số vòng quay khác nhau). 5. Tiến hành đo theo một trong hai trình tự: số vòng quay tăng dần hoặc số vòng quay giảm dần. Lưu ý: đối với mẫu puree cà chua và nước cam ép cần xác định ẩm độ mẫu trước khi đo độ nhớt. 2.5 Kết quả & xử lý số liệu thí nghiệm 2.5.1 Đo độ nhớt bằng nhớt kế mao dẫn Ký hiệu nhớt kế: ? (A hoặc B) Bảng số liệu (nhóm A): 0 3 C% T ( C) V (ml) m (g) U (kg/m ) t1 (s) t2 (s) t3 (s) t (s) 0 20 10 20 20 20 30 20 Bộ môn thiết bị – Khoa Công Nghệ Thực Phẩm ĐHNL
8. Thực hành quá trình kỹ thuật thực phẩm cơ bản 15 Nước cam ép: đo độ Brix của nước cam 0 0 3 Bx T ( C) V (ml) m (g) U (kg/m ) t1 (s) t2 (s) t3 (s) t (s) 20 Hằng số nhớt kế: b = ? Bảng số liệu (nhóm B): 0 3 C% T ( C) V (ml) m (g) U (kg/m ) t1 (s) t2 (s) t3 (s) t (s) 0 20 40 20 50 20 Hằng số nhớt kế: b = ? Bảng kết quả: C% t (s) Q (m2/s) P (Pa.s) P (cP) 0 10 20 30 40 50 Nước cam Vẽ đồ thị mối liên hệ giữa nồng độ dung dịch đường & độ nhớt động lực học (C, P) dựa theo bảng kết quả trên. 2.5.2 Đo độ nhớt bằng máy Brookfield Mẫu: ___ Ẩm độ: ___ (đo bằng cân ẩm hồng ngoại) Bảng số liệu: Bộ môn thiết bị – Khoa Công Nghệ Thực Phẩm ĐHNL
9. Thực hành quá trình kỹ thuật thực phẩm cơ bản 16 N (rpm hay vòng/phút) P (cP) ¾ Đối với mẫu là dung dịch đường: lấy giá trị trung bình của độ nhớt ở các vòng quay. ¾ Đối với mẫu là puree cà chua, nước cam ép: Vẽ giản đồ ( log(4S N), log P ). Xác định phương trình hồi quy tuyến tính của đồ thị, từ đó xác định 2 hệ số m,n ứng với mỗi dung dịch mẫu. 2.6 Thảo luận 2.6.1 Đo độ nhớt bằng nhớt kế mao dẫn Nhận xét đồ thị trong 2 khoảng: dung dịch loãng và dung dịch đặc. So sánh kết quả đo độ nhớt dung dịch đường 40% và nước cam ép bằng 2 phương pháp. Giải thích. Nêu ưu, nhược điểm của nhớt kế mao quản. 2.6.2 Đo độ nhớt bằng máy Brookfield So sánh kết quả đo độ nhớt puree cà chua ở các ẩm độ khác nhau. Giải thích. Nêu ưu, nhược điểm của máy đo độ nhớt trục quay. 2.7 Yêu cầu viết bài báo cáo: Bài báo cáo trình bày theo các mục sau: + Tóm tắt lý thuyết + Phương pháp tiến hành thí nghiệm + Báo cáo kết quả & xử lý số liệu thí nghiệm + Thảo luận Chú ý: Độ nhớt & khối lượng riêng của nước theo nhiệt độ cho ở phụ lục 2.1 & 2.2 trang 64 - 65. Bộ môn thiết bị – Khoa Công Nghệ Thực Phẩm ĐHNL