Учебное пособие Барнаул 2008 (075. 8)
жүктеу/скачать 3.38 Mb.
|
| высокой частоты. Для мякоти свеклы – по объему спрессованного
образца в смеси с мелассой. Для зерна и некоторых порошкообразных продуктов – по степени проникновения в образец свободно падающего лезвия из нержавеющей стали. 7 Акустические методы Акустические методы исследования основаны на измерении скорости прохождения и поглощения ультразвука в различных средах в зависимости от их физико-химических свойств. Область применения акустических методов исследования: 1) контроль фототехнологических процессов (уваривание, купажирование) по параметрам, которые характеризуют качество и состояние продукта при его изготовлении (концентрация, вязкость, влажность, наличие примесей); 2) контроль технологических процессов по косвенным параметрам (температура, уровень, скорость протекания, распад); 3) контроль качества готового продукта (жирность – молоко, сортировка продукта по размерам); 4) контроль состояния тары (геометрические размеры, наличие дефектов); 5) контроль среды производственного помещения (температура, влажность воздуха, наличие пыли). 58 7.1 Ультразвук Определение микроэлементов в биологических материалах сопряжено с необходимостью получения зольных растворов. Озоление образца, осуществляемое «сухим» или «мокрым» путем, производится с целью разрушения органических веществ из анализируемого образца, для окисления его до минеральных соединений. Метод сухого озоления включает в себя разрушение органической части образца с помощью термической обработки. В данном методе пробу прокаливают в электрических печах-муфелях при температуре от плюс 400 до плюс 500 С, затем озоляют при температуре от плюс 900 до плюс 950 °С. Достоинствами сухого озоления являются его простота и доступность. Однако очевидны его недостатки: в результате термообработки имеют место потери элементов; процесс озоления весьма длителен. В зависимости от природы образца озоление может длиться в течение нескольких часов, вплоть до 30 часов. Относительно меньше времени требует метод мокрого озоления, который заключается в обработке образца сильными неорганическими кислотами-окислителями в различных соотношениях и комбинациях с последующей термообработкой. По данному методу потери сводятся к минимуму, но возрастает вероятность загрязнения образца при применении большого количества реагентов. Кроме того, метод мокрого озоления требует больше внимания и занятости. Метод не нашел широкого применения в пищевой промышленности. Все упомянутые выше недостатки полностью отсутствуют в ускоренномметодеразложенияобразцасприменением ультразвуковых колебаний, который был разработан при определении микроэлементов в комбикормах, однако он может быть успешно применён при анализе любого биологического материала. Суть данного метода заключается в следующем. Навеску образца смачиваютнебольшимиколичествамиконцентрированных неорганических кислот, добавляют дистиллированную воду, затем пробу подвергают ультразвуковому воздействию в течение 2 минут с погружением излучателя в раствор и фильтруют. Полученную вытяжку анализируют на микроэлементы пламенно-фотометрически, атомно- абсорбционо или атомно-эмиссиоными методами. Ультразвуковое воздействие обеспечивает полноту извлечений микроэлементов и может быть использовано для анализа биологических материалов при определении минерального состава. 59 7.2 Кавитация Звуковое поле в жидкости может порождать маленькие пузырьки, движение которых вызывает такие сильнодействующие эффекты, как химические реакции, эрозия, звуколюминесценция и излучение звука. Эти наблюдаемые эффекты характеризуют физическое явление, называемое кавитацией. Кавитация – образование в жидкости пульсирующих пузырьков, заполненными парами, газом или их смесью. Под кавитацией подразумевают образование пустот в жидкости в результате разрыва последней при больших отрицательных избыточных давлениях. Различают акустическую кавитацию и гидродинамическую. Акустическая кавитация возникает при прохождении звуковой волны большой интенсивности. Гидродинамическая кавитация возникает при сильном локальном понижении давления в жидкости в следствие больших скоростей течения. Образованию пустот способствуют газовые пузырьки, появление которых всегда наблюдается при прохождении ультразвуковой волны через жидкость. Образовавшиеся пустоты, или так называемые кавитационные пузыри, перемещаясь с потоком, попадают в область с давлением выше критического и сокращаются. После смыкания полости сконцентрированная в незначительном объеме кинетическая энергия освобождается и переходит частично в тепловую энергию и частично в энергию сжатия. При этом из центра сомкнувшейся полости распространяется ударная сферическая волна. Под действием возникающегоимпульсадавленияпроисходитразрушение молекулярных комплексов. В результате разрыва химической связи под действием кавитации в воде образуются свободные радикалы ОН- и Н+, обладающие большой реакционной способностью. Эти радикалы являются носителями окислительного действия ультразвука. Однако следует отметить, что процесс окисления органических составляющих образца только ультразвуком, мало эффективен. Процесс инициируется действием кислот и довершается ультразвуком. Разложение биологических материалов с применением ультразвука не связано с большими капитальными затратами и успешно может быть применено для проведения массовых анализов растений, кормов, почв, геологических пород и др. в научно- исследовательских лабораториях. Для анализа применяется серийно выпускаемый отечественный ультразвуковой диспергатор низкой частоты. Сам процесс подготовки образца с момента взятия навески до 60 получения анализируемого раствора не превышает 15-20 минут. Продолжительность озвучивания в некоторых случаях может быть увеличена до 3 минут. Существуетестественныйверхнийпределамплитуды акустического давления, которое может вызвать кавитацию. Этот предел определяется прочностью на разрыв однородной жидкости. Прочность на разрыв однородной жидкости может быть определена как предельное отрицательное давление, которому жидкость может противостоять, прежде чем она разорвется и в ней образуется новая стабильная фаза. Предельное отрицательное давление, выдерживаемое водой, равно минус 275 ат. Акустическая кавитация представляет собой эффективный механизм концентрации энергии. Во время кавитации энергия звукового поля трансформируется в высокую плотность энергии внутри и вблизи захлопывающегося пузырька. Благодаря концентрации энергии в очень малых объемах акустическая кавитация может вызывать сильнодействующие эффекты. Во время захлопывания пузырек излучает ударную волну. После прохождения ударной волны близлежащиемаленькиепузырькиразрываются.Первый пульсирующий и захлопывающийся пузырек создает цепочку катастрофических событий. Взрывы пузырьков являются почти неизменной характеристикой акустической кавитации. Такие взрывы значительно видоизменяют физические свойства жидкости и приводят к образованию новой среды. Рост пузырьков прекращается, когда они находятся в зоне положительных давлений. Кавитация вызывает разрушение и диспергирование твердых тел, эмульгирование жидкостей за счет удара при захлопывание жидкостей. Кавитация вызывает ускорение химических реакций за счет ионизации вещества. Благодаря этому акустическая кавитация находит всё большее применение для создания новых и совершенствования известных технологических процессов. 8 Вероятностно-статистические методы исследования Вероятностно-статистическиеметодыисследования, использующих общие теоремы теории вероятности и математической статистики используют с целью повышения эффективности и качества научных исследований, в том числе и в пищевой промышленности. Математизация исследований предполагает получение математической 61 модели исследуемого процесса, достаточно точно, адекватно его описывающей. При наличии такой модели возникает возможность дальнейшие исследования процесса заменить анализом его математической модели для получения решения поставленных задач. Применение вероятностно-статистических методов для изучения сложных технологических систем возможно в двух направлениях: 1) статистический анализ полученных экспериментальных данных с целью определения однородности собранного материала, его достоверности и точности с позиции принятого уровня значимости, его достаточности для принятия тех или иных решений; 2) разработка математико-статистических моделей, используемых в дальнейшем для оптимального управления процессом или оптимального конструирования объекта и т.д. Различают так называемые теоретические (эвристические) модели, описывающие механизм происходящих в объекте физико- химических и механических процессов на микро- и макроуровнях, и модели эмпирические (статистические, или стохастические). Методы математического планирования эксперимента позволяет получить математические модели в реализованном диапазоне изменения многих факторов, влияющих на процесс, наиболее экономичным и эффективным способом. Значение математических методов планирования экспериментов хорошо видно при рассмотрении общей схемы научного экспериментального исследования объекта с недостаточно раскрытым механизмом процессов, происходящих в этом объекте: 1 этап – изучение сведений об исследуемом объекте; 2 этап – формулирование систем предпосылок, призванных ограничить объект в пространстве и времени, выделить главные черты объекта, упростить схему взаимодействия элементарных процессов внутри объекта и объекта с окружающей средой; 3 этап – создание модели объекта, которой может быть: а) сам объект, ограниченный в пространстве и времени, с упрощенной схемой взаимодействия элементарных процессов внутри объекта и объекта с окружающей средой; б) дубликат объекта, уменьшенный или увеличенный по сравнению с натурным объектом, созданный на основе теории подобия. 4 этап – исследование модели объекта на основе применения наиболее эффективных и экономичных методов математического планирования экспериментов, современных приборов и методик; 62 5 этап – анализ экспериментальных данных методами математической статистики и формализации этих данных (создание адекватной математической модели объекта); 6 этап – использование полученной математической модели для решения поставленных задач; 7 этап – экспериментальная проверка полученного решения; 8 этап – составление отчета по научному исследованию. Методыматематическогопланированияобеспечивают проведение на высоком научном уровне этапов 4, 5, 6, сокращая при этом трудоемкость и стоимость самого исследования. Подробным изучением математических методов планирования эксперимента занимались Грачев Ю.П., Плаксин Ю.М. [5, 6]. 8.1 Статистический анализ экспериментальных данных Экспериментом называется совокупность опытов, объединенных единой целью, единой системой ограничений в пространстве и времени. Опытом можно считать реализацию на каком-либо объекте некоторых условий, правил. В результате чего появляется то или иное событие. Появление события регистрируется при помощи какого-либо параметра, имеющего, как правило, численное значение и наиболее полно характеризующего результат. Такой параметр отражает эффективность события и называется критерием оптимальности (у). Всеобъемлющим, глобальным критерием оптимальности является экономический критерий. Частным критерием оптимальности может бытьлюбойтехнологическийпараметр,характеризующий технологический результат процесса, такой критерий называют выходом процесса. Результат процесса зависит от условий его протекания, характеризуемых значениями параметров, влияющих на процесс. Независимые параметры процесса называют факторами. Оптимизация процесса (объекта) сводится к отысканию таких условий его протекания (конструктивных размеров, технологических параметров и т.д.), при которых критерий оптимальности будет иметь экстремальное значение: максимум, если численное значение критерия оптимальности означает увеличение эффективности процесса (объекта), или минимум, если его увеличение означает снижение эффективности процесса (объекта). 63 Условия проведения каждого опыта эксперимента в виде конкретного значения исследуемых факторов, а иногда и очередность проведения опытов регламентируются планом эксперимента. Планы, обеспечивающие получение наименьшей величины максимальной дисперсии предсказания, называют G-оптимальными. Планы, обеспечивающие получение одинаковых дисперсий предсказания для точек, равноотстоящих от центра эксперимента, жүктеу/скачать 3.38 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|