CC BY
22
Таблица
Значение показателей при't, мин
показатели 0 5 10 15 20
Дт, с 300 300 300 300 300
Объем перенесенного масла за Д", см3, AMі 8,12 0,97 0,65 0,42 0,25
Объемная доля масла в мисцелле, м3/м5: Хш 0 0,0203 0,0224 0,0241 0,0254
Хш 0,1287 0,0752 0,0697 0,0652 0,0618
Равновесная объемная доля масла в I'm, м3/м5 0,0454 0,0485 0,0509 0,0528
ДЛГ1Б = Х^ - Х,'“ 0,1287 0,0298 0,0212 0,0143 0,0090
0,0298 0,0212 0,0143 0,0090 0,0053
. дяги-ддгш IC? AY !„ U 0.0676 0.0253 0,0175 0,0114 0,0070
ду« KFr, 1-Ю7 у /с 4 1,28 1,24 1,23 1.19
К», 1*106 м3(кг*с) 26,8 8,60 ?.,i2 8,25 8,00
Значение коэффициента массопередачи от наружной мисцеллы суспензии в экстрагент К определено с использованием экспериментальных данных Алиева по зависимости К от линейной амплитуды пульсаций 5П пульсатора [7, 8], при увеличении 8П коэффициент массопередачи увеличивается по линейной зависимости. Для интенсификации массопередачи через пористую перегородку экстрактора выбрано значение 8П =
= 6,5 • 10'4 м, что обусловлено более жесткими требованиями к глубине извлечения масла из ЧОФ, чем вино-материала из дрожжевых частиц.
Соответствующее этой амплитуде пульсаций значение К = 2,0 • 10'4 м/с найдено линейной аппроксимацией данных Алиева по зависимости К от 8П.
выводы
1. На основании экспериментальных данных по кинетике экстракции в системе ЧОФ-ацетон рассчитано значение коэффициента массопередачи, отнесенного к единице массы материала, Км от поровой мисцеллы в наружную мисцеллу суспензии.
2. Определено значение коэффициента массопередачи К от наружной мисцеллы суспензии в экстрагент.
ЛИТЕРАТУРА
1. Лобанов А.А., Бутина Е.А., Черкасов В.Н., Константинов Е.Н. Особенности равновесия системы фосфолипидный кон-
Ц2нтр?»т—яц^тон ■! Из в вузов. Пищевая технология._2001. - №2 4. —
С. 64-67.
2. Лобанов А.А., Константинов Е.Н. Равновесные и кинетические закономерности процесса экстракции масла из фосфоли-пцдного концентрата и частично обезжиренных фосфолипидов // Изв. вузов. Пищевая технология. - 2002. - № 2-3. - С. 39-41.
3. Лобанов А.А., Константинов Е.Н., Корнеиа Е.П. Математическая модель экстрактора «труба в трубе» для противоточ-ной экстракции масла из частично обезжиренных фосфолипидов // Изв. вузов. Пищевая технология. - 2003. —№ 4. - С. 81—85.
4. Кварацхелия Д.Г. Интенсификация процесса экстрагирования растительных масел: Дис. ... канд. техн. наук. - Краснодар, 1991. - 191 с.
5. Романков П.Г., Курочкина М.И. Экстрагирование из твердых материалов. - Л.: Химия, 1983. - 256 с.
6. Константинов В.Е. Математическое моделирование экстрагирования из маслосодержащего сырья и равновесия в системе капиллярно пористое тело - жидкость. - Дис. ... канд. техн. наук. -Краснодар: КубГТУ, 2002. - 110 с.
7. Алиев А.З., Алев Р.З., Курочкина М.И. О коэффициенте массопередачи в кожухотрубчатом экстракторе типа «труба в трубе» // Журн. прикл. химии. - 1981. - 52 - № 2. - С. 459-462.
8. Алиев А,3. Разработка и математическое моделирование экстрактора типа «труба в трубе» для непрерывной промывки .дрожжевыхсуспензий.-Дис. ... канд. техн. наук. - Краснодар: КПИ. - 1986.- 152 с.
Кафедра процессов и аппаратов пшцевых производств
Поступила 24.01.03 г.
539.1./2.00I.8
ИЗУЧЕНИЕ МЕЖМОЛЕКУЛЯРНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В БЕЛКОВО-ПОЛИСАХАРИДНЫХ СИСТЕМАХ МЕТОДОМ ЯДЕР НОЙ МАГНИТНОЙ РЕЛАКСАЦИИ
Н.А. БУГАЕЦ, М.Ю. ТАМОВА, С.М. ПРУДНИКОВ,
Т.Е. ДЖИОЕВ
Кубанский государственный технологический университет Всероссийский научно-исследовательский институт масличных культур им. B.C. Пустовойта
Технология получения композиционного структу-рообразователя, основанная на совместном применении белков и полисахаридов, требует знания характера взаимодействия вводимых в систему компонентов.
Цель работы - изучение конформационных изменений и межцепочных взаимодействий в водно-полимерных системах на основе анализа ядерно-магнитных релаксационных (ЯМР) явлений в пектиновых и желати-
новых растворах. Исследование времени релаксации часто используется для определения связывания воды в пищевых системах [1]. Этот метод представляет интерес, когда необходимо получить информацию о разных формах воды и ее связях с твердыми матрицами
и.
Для проведения опытов готовили водные растворы пектина и желатина с массовой концентрацией 0,2; 0,4; ...; 1,8; 2,0% с применением бидистиллированной воды. Растворы с меньшей концентрацией готовили разбавлением исходных растворов. Кислотность среды растворов поддерживалась постоянной (pH 0,5) с помощью ацетатного буфера. Также были приготовлены
0,0
0,5
1.0
■ „ч
2,0
Рис. 1
водные системы с совместным присутствием пектина и желатина при различных соотношениях органических компонентов, но с постоянной суммарной массовой концентрацией 2% (таблица).
Исследование ядерно-магнитных релаксационных 'ииик I:|I.и.| визируемых :мстелт
проводили с использованием импульсного метода Карра-Парселла-Мейбума-Джилла (СРМС) [3] на разработанном и изготовленном во ВНИИМК ЯМ-ре-лаксометре [41 с управлением и обработкой результатов на базе персонального компьютера. Рабочая частота релаксометра 5 МГц, объем анализируемой пробы 10 см. Величина неоднородности постоянного магнитного поля в объеме анализируемой пробы не более КГ Т. Погрешность измерения времен спин-спиновой релаксации протонов Т2 в диапазоне 5-3000 мс составила не более +2%.
ПрЙ обработке реЗуЛЬТДТОБ ЭКСПСрЙМСШ'ЗЛЬНЫХ ИС-следований использовали методы математического и физического моделирования и специально разработанную программ} поиска неизвестных параметров нели-нейных моделей экспоненциального анализа [5]
Экспериментальные огибающие сигналов спинового эха протонов исследуемых образцов водных растворов пектина и желатина как по отдельности, гак и при их совместном присутствий во всем концентрационном диапазоне описывали одноэкспоненциальными
ф'ЛШИШЛШ II определяли ХТГ'РЧ^ЗГТТл" ЫС'.ГГГЧ амн-пм-
новой релаксации (72) и амплитуд сигналов ЯМР. По полученным данным бьши построены концентрационные зависимости скоростей спин-спиновой релаксации протонов для водных растворов желатина (а) и пектина (б) при трех диапазонах температур, представляющих наибольший практический интерес: 1 - 5; 2 -25 и 3 - 40°С (рис. 1: кривые 7, 2, 3 соответственно).
Графики показывают, что концентрационные зависимости скорости спин-спиновой релаксации в водных растворах пектина и желатина имеют линейный характер. С у величением концентрации раствора скорость релаксации растет. Наклон кривых концентрационных зависимостей с понижением температуры увеличивается, что объясняется уменьшением скорости обмена протонов в растворе.
Значения скорости спин-спиновой релаксации для растворов пектина значительно превышают те же показатели для желатина, что подтверждает большую водосвязывающую способность пектина по сравнению с желатином |6].
В исследуемых водных пектин -же лат ин о вых системах с постоянной суммарной массовой концентрацией пектина и желатина 2% соотношение органических компонентов изменялось от 1 : 7 до і : I. На рис. 2 приведены концентрационные зависимости экспериментальных и теоретических скоростей спин-спиновой релаксации протонов водных пектин-желатино-вых систем при 25°С. Для этих систем зависимость экспериментально определенных значений скорости спин-спиновой релаксации протонов (1/ Т, )’п'ж от содержания в них пектина и желатина имеет нелинейный характер (рис. 2: кривая /). Теоретические значения скоростей спин-спиновой релаксации д.ля тех же систем, вычисленные путем сложения экспериментально определенных значений скоростей спин-спиновой релаксации индивид} альных растворов пектина и желатина
I г ! ■ 7
Л 2 /п
отличаются от экспериментальных и имеют несколько большие значения (рис. 2: кривая 2).
3,0
2,0
1/1',
1,0 -
0,0
0,0
2,0
0,5
1,5
1,0
1,0
Рис. 2
1,5 С., мае. % 1,0 С®, мае. %
В таблице приведены экспериментальные и теоретические данные скорости спин-сииновой релаксации протонов водных пектин-желатиновых систем при
25°С.
Таблица
1/72, с"'
Пектин/ желач и н. % Расчет Эксперимент
2,00/0,00 1,138
1.75/0,25 1,454 1,372
1,50/0,50 1,361 1,209
1,25/0,75 1,259 1,159
1,00/1,00 1,156 1,013
0,75/1,25 1,093 0,907
0,50/1.50 1,030 0,778
0.25/1,75 0,983 0.810
0,00/2,00 0,530
Разницу между вычисленными и экспериментальными значениями скорости спин-спиновой релаксации белково-полисахаридных систем можно определить по уравнению
у .. .\Т V
А) 1 1 — ! -1 — 1
у!*) к.т2Jnж
Как известно, температура оказывает влияние на определяемые значения релаксационных характеристик протонов анализируемых систем. С повышением температуры в водных системах скорость релаксации протонов уменьшается нелинейно и зависит как от природы компонентов раствора, так и от их концентрации. С учетом этих особенностей для адекватной оценки разницы между вычисленными и экспериментальными значениями скорости спин-спиновой релаксации в водных пектин-желатиновых системах необходимо использовать значения параметра Д( ^ ), отнесенные к теоретическим значениям (',4.)|-1Ж •
На рис. 3 приведены кривые зависимости относительного параметра Л(УГ„) / (/г.)пас’ выРаженного в процентах, от концентрации пектина и желатина. Видно,что при всех температурах разница между экспериментальными и теоретическими кривыми увеличивается и достигает своего максимума при соотношении пектина к желатину в растворе 1 : 3 и 3 : 1.
Таким образом, в результате исследования водных систем пектина и желатина методом ЯМР установлено, что при совместном присутствии пектина и желатина в водном растворе происходит их взаимодействие, о чем можно судить по наблюдаемому уменьшению релаксационной эффективности.
В условиях проведения эксперимента (pH 5,0) пектин и желатин в растворе, вероятно, взаимодействуют между собой с образованием комплексных соединений. Логично предположить, что в образовании химических связей участвуют функциональные группы, влияющие на релаксацию воды. В результате такого взаимодействия пектина с желатином количество функциональных групп, взаимодействующих с водой,
А(1/Т2), %
0,0 0,5 1,0 1,5 С„, мае. %
2,0 1,5 '1,0 0,5 Сж, мае. %
Рис. 3
уменьшается, что и подтверждается уменьшением скорости спин-спиновой релаксации протонов воды в системах с совместным присутствием пектина и желатина. Иными словами в пектин-желатиновых растворах по сравнению с растворами с тем же содержанием отдельно взятых пектина и желатина водосвязывающая способность (ВСС) уменьшается. Причем это наблюдается для всех исследуемых соотношений пектин : желатин, как это видно на рис. 3.
О величине ВСС можно судить по параметр^' ^ который находится в обратной зависимо-
/(Лг)па
сти от ВСС системы. Выражая его в процентах, можно сравнивать концентрационные зависимости от количества. компонентов (пектина и желатина) в■ ■' ■ -от
количества компонентов (пектина и желатина) в растворе, полученные при различных температурах (рие\ 3). Необходимо отметить, что максимального значения параметр, отражающий уменьшение ВСС белково-полисахаридной системы достигает при соотношении пектин : желатин 1 : 3 (максимум на кривых, рис. 3). Возможно, при этих соотношениях пектина с желатином образуются структурно-устойчивые белково-полисахаридные комплексы, что и вызывает уменьшение экспериментально определяемой скорости спин-спиновой релаксации всей системы примерно на 20-25% по сравнению с вычисленным значением этого параметра.
ЛИТЕРАТУРА
1. Вода в пищевых продуктах / Под ред. Р.Б. Дакуорта. - М.: Пищевая пром-сть, 1980. - 376 о.
2. Вода в полимерах / Под ред. С, Роуленда. М.: Мир. 1984. -555 с.
3. Вашмян А.А., Пронин И.С. Ядерная магнитная релаксация и ее применение в химической фюико. - М.: Наука, 1979. - 235 с.
4. А. с. 1173279 РФ, М К И/' 4 С 01 № 24/08. Способ количественного анализа веществ а ка основе явления Я МР и устройство для е] о осуществления/ Прудников С.М. (РФ). - Опубл. в Б.И. - 1985. — № 30.
5. Прудников С.М., Зверев Л.В., Джноев Т.Е. Система приема и обработки сигналов импульсных релаксометров ядерного магнит-
ного резонанса: Свидетельство об официальной регистрации про- ной системы методом д и ффе ре нциа ль ной сканирующей ка лори мет-
граммы для ЭВМ № 2001 610425. - М., 2001. Рии /; Изв' “Узов- Пищевая технология. - 2003. - № 5-6. - С. 80-82.
&. Тамова М.Ю., Бугаец Н А., Боровская Л.В., Миронова Кафедра технолопо1 „ „р1 ашоацнп питания
О.Х1. Изучение те р мод ниамич е ск и х св о йств и ел ков о - по л иса хар ид - Л ос туп ил и (о .10.03 с\
66.06 7.3:66.018
РАСЧЕТ УДЕЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ МЕМБРАН ПРИ УЛЬТРА ФИЛЬ 'ГРАЦИИ 1ЕТЕ РОГЕ ИНЫХ СИСТЕМ
сн:-
й
ШИ-
1 от-
111ЛН
ОН>
1ИК
Ъ-р?
if.ii.'
иРСКС!
51ЧС-
от
п
пне-
.рж.
Йггс;-
р;о-
ри: сл;> ж-; -Ьь-1*аи Ь .1^1 г.: г::
: Ил-
им.
пн-; _
в---*' !3. -
"ПН1
И.С. РОДИОНОВА
Воронежская государственная технологическая академия
При концентрировании, фракционировании или очистке растворов высокомолекулярных соединений достаточно широко в лабораторных и промышленных условиях применяется мембранная фильтрация [1], Преимущества этого процесса - низкая энергоемкость, сохранение исходной структуры выделяемых веществ, их физико-химических, биологических и функциональных свойств. Мембранную фильтрацию растворов высокомолекулярных соединений осложняет способность таких систем образовывать надмолекулярные структуры при достижении критической концентрации вследствие преобладающего массопереноса растворителя сквозь мембрану. Образующаяся у поверхности мембраны структура - динамическая мембрана -создает дополнительное гидродинамическое сопротивление потоку растворителя, изменяя производственные характеристики процесса фильтрации. При ультрафильтрации гетерогенных систем поверхностные процессы на мембране имеют более сложный характер, так как в формировании динамической мембраны могут участвовать вещества различной природы.
Цель данной работы - исследование гидродинамического сопротивления динамической мембраны, образуемой при ультрафильтрации гетерогенных систем, содержащих протеины и триглицериды.
Объекты исследования - растворы а-казеина (0Д-3,0% мае.), состоящего из 4 фракций, отличающихся электрофоретической подвижностью, молекулярной массой, составом и последовательностью аминокислот вполипентидной цепи [2]. В изученных гетерогенных системах а-казеин находится в виде казеи-нат-кальций-фосфатного комплекса, ассоциированного в мицеллы диаметром 130-160 нм со средней молекулярной массой до 108 КО. Концентрацию протеинов в растворе определяли методом Кофрани [3].
В исследуемые растворывводилиО,1-1,0% мае. (сг) смеси триглицеридов, содержащих различные жирные кислоты. Концентрацию триглицеридов в растворе определяли кислотным методом Гербера [3]. Полученные гетерогенные системы концентрировали ультрафильтрацией на плоскокамерном ультрафильтрацион-ном модуле с тангенциальной подачей разделяемого
раствора. Модуль укомплектован мембранами типа УПМ-450 (площадь поверхности мембраны 2,7 м2). Ультрафильтрацию проводили при температуре 208-228 К, давлении 0.1-0,4 МПа: скорость движения раствора в межмембранном канале (1.6-2.0 м/с) обеспечивала турбулентный режим движения.
Концентрационная поляризация в условияхультра-фидьтрации связана с конвективным подводом мицелл к поверхности мембраны. В результате накопления \ поверхности ультрафильтра глобул ос-казеина достигается критическая концентрация гелеобразования (9-10% мае.) [4], что приводит к их агломерации и коагуляции и переход)' исследуемой золь-гетерогенной коллоидной системы в гель. Образующаяся динамическая мембрана создает дополнительное гидродинамическое сопротивление потоку фильтрата, понижая объемный поток и увеличивая коэффициент задержания.
Согласно [5] при постоянном давлении объемный поток фильтрата/(0, м/с, определяется уравнением
г.. _±<1У АР А (11 .ЧУ- ; .4Л'
(1)
где Р - рабочее давление, Па; Км и - гидродинамические сопротивления ультрафильтра и динамической мембраны, г м; г} вязкость филырата. Па * с; А - площадь мембраны, \Г; V - объем фильтрата, м'; г - время, с.
Гид ро дина ми чес ко с со против л е ни е м е мора н ы Я е. 1/м:
Я, = г&,.
(2)
где г - сопротивление фильтрации, 1/м*: 6$ - толщина слоя динамической мембраны, м.
Сопротивление фильтрации
Г =£7(1 - е) р .
(3)
где а - удельное сопротивление, м/кг; е - пористость. %; р - плотность осадка, кг/м3.
Толщина слоя динамической мембраны м:
.*АЧ1 А К,
.-'!(! -к)р
(4)
где Я - коэффициент задержания. %; с* - концентрация вещества в растворе, кг/м3; £-доля вещества, переносимая от поверхности мембраны в раствор вследствие обратной диффузии.
Из уравнений (2-4) следует
