М. С. Омаров биоматериалдар биотехнологиясы тағамдық және биотехнологиялық мамандықтарының студенттеріне арналған Зертханалық практикум

М. С. Омаров

Зертханалық практикум

Павлодар

2010

ББК 36 – 1 я73

О-58
С. Торайғыров ат. Павлодар мемлекеттік университетінің

Ғылыми кеңесімен басылымға ұсынылды

Рецензенттер:

В. А. Овсянникова – техника ғылымдарының кандидаты, профессор, Инновациялық Еуразия университетінің «Қолданбалы биотехнология» кафедрасының меңгерушісі;

Н. К. Ахметова - техника ғылымдарының кандидаты, С. Торайғыров атындағы Павлодар мемлекеттік университетінің «Биотехнология» кафедрасының доценті.
Омаров М.С.

О-58 Биоматериалдар реологиясы : зертханалық практикум / М. С. Омаров. – Павлодар : Кереку, 2010. – 48 б.

Биоматериалдардың реологиялық қасиеттерін зерттеу үшін қажетті лабораториялық жабдықтар мен құрылғылар қарастырылды. Негізгі технологиялық есептеулер, бақылау сұрақтары және зертханалық жабдықтардың негізгі түрлері бойынша анықталмалық мәліметтер келтірілген.

Жоғары оқу орындарының тағамдық және биотехнологиялық мамандықтарының студенттеріне арналған. Аспиранттарға, магистранттарға, тағамдық, ет, сүт және микробиологиялық өнеркәсіп мамандары үшін, сонымен қатар жоғарыда көрсетілген мамандықтардың колледждер мен кәсіптік лицейлердің оқушыларына пайдалы болуы мүмкін.

ББК 36 – 1 я73

© Омаров М. С., 2010

© С.Торайғыров ат. ПМУ, 2010

Сұйықтардың, қатты денелердің қасиеттері сияқты реологияның маңызды бөлімдерін, үрдіс үлгілерін алу, сонымен қатар қаттылықты, консистенцияны, нәзіктікті, когезияны, үйкелісті, жабысқақтықты, биожүйелердің текстурасын сипаттайтын беріктік, компрессиялы, адгезиялы, фрикциялы қасиеттерді ашу қарастырылған. Әр түрлі өлшеу құрылғыларының көмегімен зерттеулер мен есептеулердің әдістеріне ерекше назар аударылған. Сонымен қатар тәжірибелік реология сұрақтары қарастырылады.

«Азық-түлік өнімдерінің реологиясы» пәнінің мақсаты тағамдық өнімдер мен биоматериалдардың обьективті сипаттамалық қасиеттерін алу үшін тәжірибелік реология саласында қажетті теориялық және тәжірибелік білімдерді алу.

Пәннің негізгі міндеттері төмендегідей болып табылады:

- реологияның ғылыми негіздерін оқу;

- реологияның негізгі ұғымдарын және тағамдық және биологиялық материалдардың қасиеттерін оқу;

- тағамдық және биотехнологиялық өнеркәсіпте қолданылатын реологиялық әдістерін оқу;

- консистенцияны, қаттылықты, нәзіктікті, когезияны, үйкелісті, жабысқақтықты, өнімдердің текстурасын сипаттайтын беріктік, компрессионды, адгезиялы, фрикционды қасиеттерді оқу;

- тағамдық өнімдер мен биоматериалдардың реологиялық қасиеттерін өлшеу әдістерін оқу.

1 СҰЙЫҚТЫҢ ТҰТҚЫРЛЫҒЫН СТОКС ӘДІСІ БОЙЫНША АНЫҚТАУ
Құралдар мен жабдықтар:

Стокс әдісі бойынша тұтқырлықты анықтауға арналған қондырғы, шариктер, микрометр, секундомер, сызғыш, ареометр.

Сұйықтар мен газдарда тұтқырлық құбылысын келесі әдіспен қарастыруға болады. Бірінен бірі dx қашықтықта тұрған сұйықтық немесе газдың екі қабаты υ₁ және υ₂ жылдамдықтаныа ие болсын. Тез қозғалатын қабат жағынан баяу қозғалатын қабатқа оны жылдамдататын күш әсер етеді. Жылдам қабатқа баяу қабат жағынан керісінше тежейтін күш әсер етеді. Ол қабат бетіне жанама бойынша бағытталған ішкі үйкеліс күштері. Жанасатын қабаттардың ауданы неғұрлым үлкен болса, бұл күштерде соғұрлым үлкен және қабаттан қабатқа өту кезінде сұйықтың (газдың) ағының жылдамдығына немесе Ньютон теңдеуі тәуелді болады

Ағыны (1.1) теңдеуіне бағынатын сұйықтықтар үшін тұтқырлық жылдамдықтың градиентіне тәуелді емес. Осындай сұйықтар ньютондық деп аталады, ал тұтқырлық – нормалды. (1) теңдеуге бағынбайтын сұйықтар ньютондық емес деп аталады, ал олардың тұтқырлығы - аномалды. Ньютондық емес сұйықтарға күрделі және ірі молекулалардан тұратын сұйықтар жатады, мысалы, полимерлердің ерітінділері. Ньютондық емес сұйыққа сорпа да жатады, өйткені құрылымды түзілімдер болып келетін ақуыздар мен жасушалардан тұрады.

Сорпаның тұтқырлығы әдетте 4 тен 5 мПа дейін ауытқиды және 1,7 ден 22,9 мПа·с дейін өзгеруі мүмкін. Сорпаның тұтқырлығы диагностикалық мәнге ие.

Тұтқырлық сұйық немесе газдың табиғатына, температурасына, төмен температураларда қысымына тәуелді. Газдардың тұтқырлығы жоғары температураларда ұлғаяды, сұйықтардың – төмендейді.

Сұйық тұтқырлығының температураға тәуелділігі күрделі сипатқа ие. Молекулалар тепе-теңдігінің орналасуларын жиі ауыстырғанына байланысты, сұйық ағынды және төмен тұтқырлы болады, яғни сұйықтықтың тұтқырлығы релаксация уақытына тура пропорционал:

Дене қозғалған кезде тұтқырлы сұйықта қарсыласу күштері пайда болады. Осы қарсыласудың пайда болуы әртүрлі болуы мүмкін. Дененің артында құйындар болмаған кезде үлкен емес жылдамдықтарда қарсыласу күші сұйықтың тұтқырлығымен негізделеді. Денеге жанасатын сұйықтықтар қабаттары олармен еріп әкетіледі. Осы қабаттар және келесілер арасында үйкеліс күштері пайда болады.

Қарсыласу күштерінің екінші механизмі құйындардың туындауымен байланысты. Дененің сұйықта жасалатын жұмысының бір бөлігі құйындардың түзілуіне кетеді де, олардың энергиясы ішкі энергияға айналады.

Стокс заңына сәйкес, шарик төмен жылдамдықпен, құйындар жоқ болғанда тұтқыр сұйықта қозғалысы кезінде қарсыласу күшін тең

Сұйықта қозғалатын шарикке үш күш әсер етеді: қарсыласу күші (2), ауырлық күші және итеретін күш (сурет 1)

мұнда ρ – шарик затының тығыздығы; ρ₀ – сұйық тығыздығы.

Стокс әдісі қарапайым және күрделі жабдықтарды талап етпейді, алайда оны тамақ және биотехнологиялық зерттеулерде қолдануы шектеулі, өйткені ол үшін зерттелетін сұйықтың үлкен мөлшері қажет.

Стокс әдісі бойынша тұтқырлықты анықтау үшін зерттелетін сұйық бар биік цилиндрлік сауытты алады (сурет 1.1). Сауытта екі сақиналы белгі бар А және В. А белгісі шарикке әсер ететін күштер бірін бірі тепе-теңдікке келтіретін және қозғалыс тепе-тең болатын биіктікке сәйкес келеді. Төменгі белгі В уақытты есептеудің ыңғайлылығы үшін қойылған.

Шарикті сауытқа лақтыра отырып, секундомер бойынша шариктің белгілер арасында l ара-қашықтығын өту уақытын τ белгілейді. υ = l/τ, тең болғандықтан, формула (1.5) түрге келеді
(1.6)
мұнда d – шарик диаметрі.
Жұмысты орындау тәртібі

1 Шариктің d диаметрін микрометрмен үш рет өлшеңіз.

2 Шариктің d орташа мәнін есептеңіз.

3 Шарикті сұйық бар сауытқа цилиндр білігі бойынша қозғала алатындай етіп түсіріңіз. Шарикпен А және В белгілері арасындағы өтудің τ уақытын өлшеңіз.

4 Белгілер арасындағы I ара-қашықтығын өлшеңіз.

5 Зерттелетін сұйықтың р₀ тығыздығын ареометрдің көмегімен анықтаңыз.

6 Сұйықтың η тұтқырлығын есептеңіз [(1.6) формуласы].

7 Бес шарикпен осындай өлшеулер мен есептеулерді жүргізіңіз және табыңыз.

8 Өлшеулер мен есептеулердің нәтижелелерін 1.1 кестеге еңгізіңіз.
Кесте 1.1

d1, м	d2, м	d3, м	, м	τ, c	η, Па·с	, Па·с

9 Сенімді ықтималдылығы р = 0,95 тең Δη тұтқырлықты өлшеу қателігін анықтаңыз.

1 Үйкелістің ішкі күші деген не?

2 Тұтқырлы сұйықтың ағыны үшін Ньютонның теңдеуін жазыңыз.

3 Сұйықтың тұтқырлығы температураға қалай тәуелді?

4 Ньютондық және ньютондық емес сұйықтықтар деген не?

5 Стокс әдісі бойынша тұтқырлықты анықтау үшін формуланы шығарыңыз.

6 Стокс әдісімен тұтқырлықты өлшеген кезде қандай шарттар орындалуы керек?
Өздік бақылау үшін тапсырмалар

1 Динамикалық тұтқырлықтың СИ бірлігін көрсетіңіз:

а) Н/м;

б) Па·с;

г) Н/м²;

д) Па·м.
2 Қан ньютондық емес сұйық болып табылады, өйткені:

а) сауыттар бойынша үлкен жылдамдықпен ағады;

б) жасушалар мен ақуыздардан тұратын күрделі құрылымды түзілімдерге ие;

в) оның ағуы ламинарлы болып табылады;

г) оның ағуы турбулентті болып табылады;

д) сауыттар бойынша кіші жылдамдықпен ағады.

а) шариктің радиусына тура пропорционалды;

б) шариктің радиусына кері пропорционалды;

в) шариктің қозғалысының жылдамдығына тура пропорционалды;

г) шариктің қозғалысының жылдамдығына кері пропорционалды;

д) сұйықтың тұтқырлығыа тәуелді емес.

а) ауырлық күші;

б) салмақ;

в) итеретін күш;

г) қарсыласу күші;

д) серпімділік күші.

а) шариктің қозғалысының үлкен жылдамдығы;

б) шариктің қозғалысы кезінде құйындардың болмауы;

в) сауыттың диаметрі шариктің диаметрінен әлдеқайда үлкен болуы керек;

г) шариктің тығыздығы сұйық тығыздығынан маңызды түрде аздау болуы керек;

д) шариктің қозғалысы бірқалыпты болуы керек.

Оствальд вискозиметрі, зертханалық вискозиметр, термометр, секундомер, ультратермостат, әр түрлі концентрациялы ерітінділер жиынтығы.

(2.1) формуласы бойынша тұтқырлықты анықтау үшін ағым ламинарлы болуы керек, яғни сұйықтың (газдың) қабаттары араласпай ағуы керек. Құйынды (турбулентті) ағын үшін Пуазейль формуласы қолданылмайды. Әдеттегі жылдамдықтарда құйындар пайда болмау үшін түтікше жіңішке болуы керек.

Тұтқырлы сұйықтың ағу сипаты толығырақ v кинематикалық тұтқырлықпен анықталады

мұнда ρ – сұйықтың тығыздығы.
Қондырғының суреттелуі

Тұтқырлықты анықтауға құралдар вискозиметрлер деп аталады.

Пуазейль формуласына енетін шамаларды r, l және Δр өлшеу қиын, сондықтан берілген вискозиметрде сұйықтың қозғалысын тұтқырлығы белгілі η₀, мысалы судың, эталонды сұйықтың қозғалысымен салыстыру әдісімен анықтауға жүгінеді.

Оствальдің капиллярлы вискозиметрі 2.1 суретте келтірілген.

Сурет 2.1.
Вискозиметрдің бір тізесі капиллярлы түтік болып келеді. Судың белгілі бір көлемін вискозиметрдің кең тізесіне құяды, ал одан кейін грушамен басқа тізеге оның деңгейі А белгісінен біраз жоғары болғанша құяды, және грушаны алып тастап, осы деңгейдің тұрақталуын бақылайды. Мениск А белгісінен өткен кезде, секундомерді қосады, ал В белгісінен өткен кезде - тоқтатады. Осылайша судың А және В белгілері арасында өту уақытын табады. Сұйықтың ламинарлы ағысы кезінде l ұзындығы бар капилляр арқылы осы көлемді өту уақыты сондай болады. Осылайша зерттелетін сұйықтың А және Б белгілері арасында өтудің τ уақытын анықтайды. Зерттелетін сұйық көлемін судың көлеміне тең етіп алады.

Капиллярдағы сұйықтар гидростатикалық қысым әсерімен қозғалады

Капилляр арқылы өтетін сұйықтардың тең көлемдері үшін жазуға болады

осыдан

осыдан

Құрылғының тұрақтысын белгілейік

Пуазейль формуласынан көрініп тұрғандай, бірдей капиллярлар бойынша уақыттың бірдей аралықтары арасында сұйықтардың көлемдері осы сұйықтардың тұтқырлықтарына кері пропорционалды

Егер судың тұтқырлығын бірге тең деп алсақ, ал сұйық өткен жолды вискозиметрдің бір бөліміне тең болса, онда (2.6) формуласының негізінде сұйықтың тұтқырлығы осы су өткен l₀ жолына тең болады.

1 Сұйықтың кинематикалық тұтқырлығын анықтау:

а) вискозиметрге судың белгілі бір мөлшерін құйыңыз;

б) судың капилляр арқылы τ₀ өту уақытын анықтаңыз.

Өлшеулерді үш рет қайталаңыз және ₀ есептеңіз;

в) құрылғының тұрақты А есептеңіз [(2.4) формуласы];

г) әр түрлі концентрациялы С зерттелетін сұйықтардың ағу τ уақытының өлшеуін жүргізіңіз және (әрбіреуі үшін үш өлшемнен) әрбір концентрация үшін τ табыңыз;

д) зерттелетін сұйықтардың v кинематикалық тұтқырлығыны есептеңіз [(2.5) формуласы];

е) Өлшеулер мен есептеулер нәтижелелерін 2.1 кестеге еңгізіңіз;
Кесте 2.1

τ01,c	τ02,c	τ03,c	0, c	A, м2/с2	С, %	τ1,c	τ2,c	τ3,c	, c	v, м2/с

ж) сенімді ықтималдылығы р = 0,95 тең әрбір концетрация үшін сұйықтың кинематикалық тұтқырлығының қателігін есептеңіз Δv;

з) концентрациядан сұйықтың кинематикалық тұтқырлығының тәуелділік графигін құраңыз;

и) вискозиметрді ультратермостатқа орналастырыңыз және температураның бірнеше мәндерінде сұйықтың өту уақытын өлшеңіз. Әрбір өлшеуді үш рет қайталаңыз және τ тауып алыңыз. Әрбір температурада сұйықтың кинематикалық тұтқырлығын есептеңіз;

к) өлшеулер мен есептеулердің нәтижелелерін 2.2 кестеге енгізіңіз;
Кесте 2.2

t,°с	τ1, c	τ2, с	τ3, с	, с	v, м2/с

л) сенімді ықтималдылығы р = 0,95 тең әрбір температура үшін сұйықтың кинематикалық тұтқырлығының өлшеуінің қателігін есептеңіз Av;

м) сұйықтың кинематикалық тұтқырлығының температурадан тәуелділік графигін салыңыз.
2 Сұйықтың тұтқырлығын зертханалық вискозиметрмен анықтау:

а) Б кранын ашыңыз және А капиллярдың бос ұшын дистилляцияланған суға салыңыз;

б) ауызға шыны ұшты алыңыз Н және суды 0 белгісіне дейін баяулап тартып, Б кранын жабыңыз;

в) 0 белгісіне дейін басқа капиллярға зерттелетін сұйықты енгізіңіз;

г) Б кранын бұраңыз, А капиллярын тройникпен қосыңыз;

д) баяулап ауаны Н ұшы арқылы сорыңыз. Зерттелетін сұйықтық l белгісіне дейін жеткен кезде капиллярда τ₀ судың орналасуы салыстырмалы бірліктерде осы сұйықтың тұтқырлығын көрсетеді;

е) зерттелетін сұйықтың η тұтқырлығын есептеңіз [(2.6) формуласы]. Тәжірибені үш рет қайталаңыз және тауып алыңыз;

ж) өлшеулер мен есептеулердің нәтижелерін 2.3 кестеге енгізіңіз.

l, шкала бөлімдері	η, Па·с	, Па·с