Fyzikální vlastnosti potravin - Vysoká škola chemicko-technologická ...
Fyzikální vlastnosti potravin - Vysoká škola chemicko-technologická ...
Fyzikální vlastnosti potravin - Vysoká škola chemicko-technologická ...
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
<strong>Vysoká</strong> <strong>škola</strong> <strong>chemicko</strong>-<strong>technologická</strong> v Praze<br />
Ústav technologie mléka a tuků<br />
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong><br />
2. Reologické <strong>vlastnosti</strong> kapalných<br />
<strong>potravin</strong><br />
N322002 21-3-12<br />
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong> 2-1 N322002 (21-3-12)<br />
Reologie<br />
Reologické <strong>vlastnosti</strong><br />
vyjadřují chování materiálu (deformaci nebo tok)<br />
při působení vnější síly<br />
popisují tedy vztahy mezi napětím v materiálu a deformací a časem<br />
mechanika kontinua<br />
Mechanické <strong>vlastnosti</strong><br />
zahrnují další <strong>vlastnosti</strong> – např. lomové vl.<br />
(neplatí předpoklad kontinua)<br />
Textura<br />
mechanické, geometrické a povrchové <strong>vlastnosti</strong> výrobku,<br />
vnímatelné smysly člověka<br />
Konzistence<br />
obecně soudržnost, u <strong>potravin</strong> vyjadřuje fyzikální aspekty textury<br />
součást textury<br />
1
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong> 2-2 N322002 (21-3-12)<br />
Smyková deformace<br />
smykové napětí (tečné, střižné) t = F/A (Pa)<br />
smyková deformace (-) smyková rychlost (s -1 )<br />
x<br />
dx<br />
<br />
y dy<br />
y<br />
Newtonské kapaliny<br />
dx<br />
např. <strong>potravin</strong>y s nízkou viskozitou<br />
ale také olej, med a pod.<br />
h –dynamická viskozita (Pa.s)<br />
1 mPa.s = 1 cPo<br />
kinematická viskozita h/r (m 2 s -1 )<br />
teplotní závislost<br />
1 m 2 s -1 = 10 000 St<br />
d dv<br />
<br />
dt dy<br />
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong> 2-3 N322002 (21-3-12)<br />
A<br />
T <br />
k e<br />
F<br />
<br />
<br />
dv<br />
v<br />
2
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong> 2-4 N322002 (21-3-12)<br />
ne-newtonské kapaliny<br />
odchylky od newtonského chování<br />
závislost na smykové rychlosti (časově nezávislé)<br />
řídnoucí kapaliny (pseudoplastické)<br />
houstnoucí kapaliny (dilatantní)<br />
mez toku (časově nezávislé)<br />
plastické kapaliny (viskoplastické látky)<br />
časová závislost<br />
tixotropní – pravá a nepravá tixotropie<br />
reopexní (antitixotropní)<br />
elastičnost – viskoelastické látky<br />
zdánlivá viskozita<br />
toková a viskozitní křivka<br />
, <br />
t<br />
a<br />
<br />
<br />
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong> 2-5 N322002 (21-3-12)<br />
příklady smykových rychlostí<br />
3
napětí (Pa)<br />
10<br />
9<br />
8<br />
7<br />
6<br />
5<br />
4<br />
3<br />
2<br />
1<br />
0<br />
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong> 2-6 N322002 (21-3-12)<br />
Reologické stavové rovnice<br />
časově nezávislé kapaliny<br />
n<br />
Herschel-Bulkley K <br />
0 <br />
n<br />
Ostwald-de Waele K (mocninový model)<br />
Bingham K <br />
Casson<br />
<br />
0,<br />
C c<br />
0B<br />
B<br />
pro užší rozmezí smykových rychlostí<br />
t 0 mez toku (Pa)<br />
K koeficient konzistence (Pa.s n )<br />
(viskozitní koeficient)<br />
n index toku (1)<br />
t 0B Binghemova mez toku (Pa)<br />
K B Binghemova viskozita (Pa.s)<br />
t 0,C mez toku dle Cassona (Pa)<br />
h c Cassonova viskozita (Pa.s)<br />
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong> 2-7 N322002 (21-3-12)<br />
Toková a viskozitní křivka – Newtonská,<br />
pseudoplastická a dilatantní kapalina<br />
Toková křivka<br />
y = 0,1x 1,1<br />
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100<br />
smyková rychlost (s -1 )<br />
pseudoplastická newtonská dilatantní<br />
Mocninný (pseudoplastická) Mocninný (newtonská) Mocninný (dilatantní)<br />
y = 0,1x<br />
y = 0,1x 0,9<br />
zdánlivá viskozita (Pa.s)<br />
0,20<br />
0,15<br />
0,10<br />
0,05<br />
0,00<br />
Viskozitní křivka<br />
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100<br />
smyková rychlost (s -1 )<br />
pseudoplastická newtonská dilatantní<br />
Mocninný (pseudoplastická) Mocninný (newtonská) Mocninný (dilatantní)<br />
y = 0,1x 0,1<br />
y = 0,1x 0<br />
y = 0,1x -0,1<br />
4
napětí [Pa]<br />
napětí (Pa)<br />
100,00<br />
10,00<br />
1,00<br />
0,10<br />
0,01<br />
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong> 2-8 N322002 (21-3-12)<br />
Toková a viskozitní křivka (log-log)<br />
Newtonská, pseudoplastická a dilatantní kapalina<br />
Toková křivka<br />
0,1 1 10 100<br />
smyková rychlost (s -1 )<br />
pseudoplastická newtonská dilatantní<br />
Mocninný (pseudoplastická) Mocninný (newtonská) Mocninný (dilatantní)<br />
1000,0<br />
100,0<br />
10,0<br />
1,0<br />
0,1<br />
model 1 model 2 model 3<br />
0= 0 0 0 Pa<br />
K= 0,9 0,9 0,5 Pa.s n<br />
n= 0,9 0,5 0,5 (-)<br />
model1<br />
model2<br />
model3<br />
Toková křivka<br />
y = 0,1x 1,1<br />
y = 0,1x<br />
y = 0,1x 0,9<br />
0,1 1 10 100 1000<br />
smyková rychlost [s -1 ]<br />
zdánlivá viskozita (Pa.s)<br />
1,000<br />
0,100<br />
n<br />
K <br />
0 <br />
Viskozitní křivka<br />
0,010<br />
0,01 0,1 1<br />
smyková rychlost (s<br />
10 100<br />
-1 )<br />
pseudoplastická newtonská dilatantní<br />
Mocninný (pseudoplastická) Mocninný (newtonská) Mocninný (dilatantní)<br />
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong> 2-9 N322002 (21-3-12)<br />
Vliv viskozitního koeficientu a indexu toku<br />
na reologii pseudoplastické látky<br />
zdánlivá viskozita [Pa.s]<br />
100,00<br />
10,00<br />
1,00<br />
0,10<br />
Viskozitní křivka<br />
y = 0,1x 0,1<br />
y = 0,1x 0<br />
y = 0,1x -0,1<br />
0,01<br />
0,1 1 10 100 1000<br />
smyková rychlost [s -1 ]<br />
5
Smykové napětí [Pa]<br />
45<br />
40<br />
35<br />
30<br />
25<br />
20<br />
15<br />
10<br />
Pseudoplastická kapalina<br />
viskozitní křivka v širokém rozmezí rychlostí<br />
5<br />
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong> 2-10 N322002 (21-3-12)<br />
napětí [Pa]<br />
1000,000<br />
100,000<br />
10,000<br />
1,000<br />
0,100<br />
0,010<br />
Newtonova oblast<br />
Toková a viskozitní křivka<br />
Ostwald<br />
0,001<br />
0,001<br />
0,01 0,1 1 10 100 1000 10000 100000<br />
smyková rychlost [s -1 ]<br />
Toková a viskozitní křivka<br />
Viskoplastická kapalina<br />
1,000<br />
0,100<br />
0,010<br />
zdánlivá viskozita [Pa.s]<br />
konečná viskozita<br />
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong> 2-11 N322002 (21-3-12)<br />
Toková křivka<br />
0<br />
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100<br />
Smyková rychlost [s-1]<br />
t 0 = 5 Pa; K = 0,9 Pa.s n ; n= 0,8<br />
Zdánlivá viskozitaí [Pa.s]<br />
5,0<br />
4,0<br />
3,0<br />
2,0<br />
1,0<br />
Viskozitní křiivka<br />
0,0<br />
0 20 40 60 80 100<br />
Smyková rychlost [s-1]<br />
6
napětí [Pa]<br />
Smykové napětí [Pa]<br />
1000,0<br />
100,0<br />
10,0<br />
1,0<br />
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong> 2-12 N322002 (21-3-12)<br />
Toková a viskozitní křivka (log-log)<br />
Viskoplastická kapalina<br />
100<br />
10<br />
Toková křivka<br />
1<br />
0,1 1 10 100<br />
Smyková rychlost [s-1]<br />
t 0 = 5 Pa; K = 0,9 Pa.s n ; n= 0,8<br />
Zdánlivá viskozitaí [Pa.s]<br />
100,0<br />
10,0<br />
1,0<br />
Viskozitní křiivka<br />
0,1<br />
0,1 1 10 100<br />
Smyková rychlost [s-1]<br />
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong> 2-13 N322002 (21-3-12)<br />
Vliv meze toku a indexu toku na reologii<br />
viskoplastické látky<br />
model 1 model 2 model 3<br />
0= 10 1 10 Pa<br />
K= 0,9 0,9 0,9 Pa.s n<br />
n= 1 1 0,5 (-)<br />
model1<br />
model2<br />
model3<br />
Toková křivka<br />
0,1 1 10 100 1000<br />
smyková rychlost [s -1 ]<br />
n<br />
K <br />
0 <br />
zdánlivá viskozita [Pa.s]<br />
100,00<br />
10,00<br />
1,00<br />
0,10<br />
Viskozitní křivka<br />
0,01<br />
0,1 1 10 100 1000<br />
smyková rychlost [s -1 ]<br />
7
Smykové napětí [Pa]<br />
25<br />
20<br />
15<br />
10<br />
5<br />
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong> 2-14 N322002 (21-3-12)<br />
Tixotropní a antitixotropní látky<br />
vzestupná a sestupná větev tokové křivky<br />
plocha hysterezní smyčky<br />
Toková křivka<br />
vzestupná větev tokové křivky<br />
sestupná větev tokové křivky<br />
0<br />
0 20 40 60 80 100<br />
Smyková rychlost [s-1]<br />
5,0<br />
4,0<br />
3,0<br />
2,0<br />
1,0<br />
Viskozitní křiivka<br />
0,0<br />
0 20 40 60 80 100<br />
Smyková rychlost [s-1]<br />
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong> 2-15 N322002 (21-3-12)<br />
Stanovení viskozity<br />
nepřímé<br />
základní metody<br />
definovány smyková rychlost a napětí<br />
minimalizované okrajové jevy<br />
podle volené veličiny<br />
řízené rychlostí (deformací) (CR - controled rate, CD)<br />
řízené napětím (CS - controled stress)<br />
podle způsobu toku<br />
kapilární (průtokové)<br />
rotační<br />
sedimentační<br />
empirické, relativní<br />
Zdánlivá viskozitaí [Pa.s]<br />
8
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong> 2-16 N322002 (21-3-12)<br />
Kapilární viskozimetry<br />
měření rychlosti toku v trubici<br />
laminární tok<br />
nestlačitelná kapalina<br />
nedochází ke skluzu<br />
zanedbatelné okrajové jevy: délka L > 50.D průměr<br />
podle hnací síly<br />
gravitací – jednoduché U trubice<br />
CS bez možnosti nastavení<br />
kinematická viskozita n = C . t<br />
pohybem pístu (CR nebo zpětně CS)<br />
tlakem plynu (CS nebo zpětně CR)<br />
(C konstanta; t doba průtoku def. objemu)<br />
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong> 2-17 N322002 (21-3-12)<br />
Rychlost toku v trubici (laminární proudění)<br />
Newtonské kapaliny<br />
4<br />
p<br />
<br />
D<br />
V<br />
<br />
128<br />
L<br />
V<br />
p<br />
D 32V<br />
D D 3<br />
4<br />
L D<br />
– objemový průtok (m3 /s); Dp – tlaková ztráta (Pa)<br />
D – průměr trubice; L – délka (m);<br />
h – dynamická viskozita (Pa.s)<br />
pseudoplastické, dilatantní kap. (dle Oswalda)<br />
3n1<br />
1/<br />
n<br />
n 3n<br />
1<br />
32V<br />
p<br />
n D <br />
<br />
<br />
D <br />
2 L K 3n<br />
1 2<br />
3<br />
<br />
4n<br />
D<br />
K –koeficient konzistence; n – index toku směrnice zav. ln( ) f ln <br />
V<br />
9
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong> 2-18 N322002 (21-3-12)<br />
Profil toku v trubici (laminární proudění)<br />
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong> 2-19 N322002 (21-3-12)<br />
Použití kapilárních viskozimetrů<br />
nižší viskozity<br />
vysoké smykové rychlosti<br />
vysoké tlaky<br />
ne-Newtonské kapaliny omezeně<br />
nelze hrubé disperze,<br />
časová závislost<br />
délka kapiláry?<br />
závislost na smykové rychlosti<br />
poloměr kapiláry; změna rychlosti průtoku? = korekce<br />
mez toku<br />
jen při možnosti nastaveni tlaku<br />
empirické metody<br />
např. nálevka dle Forda<br />
10
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong> 2-20 N322002 (21-3-12)<br />
Rotační viskozimetry<br />
Torzní napětí – Otáčky<br />
Lineární profil toku<br />
Nesmí dojít ke skluzu<br />
podle geometrie<br />
koaxiální válce<br />
nižší viskozity<br />
okrajové efekty<br />
disperze do 1/3 štěrbiny<br />
podle řízené veličiny<br />
CR – vyšší rychlosti<br />
CS – nízké rychlosti, mez toku<br />
Kužel - deska<br />
vysoké viskozity<br />
dobrá temperace<br />
nelze hrubé disperze<br />
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong> 2-21 N322002 (21-3-12)<br />
Rotační reometry<br />
CR<br />
CS<br />
11
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong> 2-22 N322002 (21-3-12)<br />
Koaxiální válce<br />
nižší viskozity<br />
okrajové efekty<br />
disperze do 1/3 štěrbiny<br />
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong> 2-23 N322002 (21-3-12)<br />
Kužel deska<br />
vysoké viskozity<br />
dobrá temperace<br />
nelze hrubé disperze<br />
12
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong> 2-24 N322002 (21-3-12)<br />
Další geometrie<br />
Koaxiální válce<br />
s dvojitou mezerou<br />
Nízké viskozity<br />
vřeteno<br />
newtonské<br />
empirické (Brookfieldova viskozita)<br />
lopatkový systém<br />
gely - pevnost<br />
disperze, nahrazuje koaxiální válce<br />
také jako empirické, lze kalibrovat<br />
míchadlo<br />
hrubé disperze<br />
také jako empirické, lze kalibrovat<br />
paralelní desky<br />
disperze<br />
nahrazuje kužel-deska<br />
střední smyková rychlost<br />
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong> 2-25 N322002 (21-3-12)<br />
13
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong> 2-26 N322002 (21-3-12)<br />
Vliv geometrie na rozsah měření<br />
rozsah přístroje: min./max. torzní moment, resp. otáčky<br />
koaxiální válce<br />
charakteristické rozměry:<br />
poloměr vnějšího / vnitřního válce (r 0/r i)<br />
zmenšení vnitřního válce<br />
menší plocha, menší torzní moment<br />
– měřitelné vyšší hodnoty napětí<br />
větší šířka vrstvy kapaliny – menší smykové rychlosti,<br />
větší riziko nelineárního profilu toku, umožňuje větší částice<br />
kužel – deska<br />
charakteristické rozměry: poloměr a úhel kužele<br />
zmenšení poloměru<br />
menší plocha, menší torzní moment – měřitelné vyšší hodnoty napětí<br />
zmenšení úhlu<br />
menší vrstva kapaliny – vyšší smykové rychlosti<br />
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong> 2-27 N322002 (21-3-12)<br />
Stanovení meze toku<br />
Viskoplastická kapalina<br />
CS reometr<br />
CR reometr – nepřímo<br />
– extrapolací tokové křivky<br />
Tixotropní kapalina<br />
statická mez toku<br />
dynamická mez toku<br />
extrapolací sestupné TK<br />
CS<br />
HAAKE RheoWin 3.14<br />
smykové napětí [Pa]<br />
 [ -]<br />
100<br />
CR<br />
0<br />
2.0<br />
1.5<br />
1.0<br />
0.5<br />
majonéza - mez toku<br />
0<br />
0 14 28 42 56 70<br />
‚ [Pa]<br />
0 50 100 150 200<br />
D [1/s]<br />
Mayovita light Vital m1<br />
 = f (‚)<br />
Regression 1<br />
Regression 2<br />
10% tps<br />
14
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong> 2-28 N322002 (21-3-12)<br />
Stanovení tixotropie<br />
rotační viskozimetry<br />
časová závislost při různých smykových rychlostech<br />
„plynulá“ toková křivka – příp. opakování<br />
toková křivka s časovou závislostí<br />
plocha hysterezní smyčky . doba měření<br />
= energie na změnu struktury jednotky objemu vzorku<br />
Pa/s . s = J /m 3<br />
kapilární<br />
změna délky kapiláry ?<br />
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong> 2-29 N322002 (21-3-12)<br />
„Sedimentační“ viskozimetry<br />
Stokesův zákon<br />
2<br />
<br />
d<br />
g<br />
v <br />
18<br />
Höplerův viskozimetr – šikmá stěna<br />
doba pádu kuličky => kinematická viskozita<br />
sklon trubice - stěna vliv stěny<br />
v kor<br />
d <br />
v 1<br />
k <br />
2<br />
R <br />
nelze identifikovat ne-Newtonské chování<br />
15
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong> 2-30 N322002 (21-3-12)<br />
Empirické metody<br />
nelze přesně definovat smykové napětí nebo smykovou<br />
rychlost<br />
žádná nebo špatná eliminace okrajových jevů<br />
rotační viskozimetry<br />
vřetena – Brookfieldův viskozimetr...<br />
výtokové viskozimetry<br />
rychlost toku trubkou, krátkou kapilárou<br />
nálevky dle Forda ....<br />
„roztékání“<br />
Bostwichův viskozimetr ...<br />
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong> 2-31 N322002 (21-3-12)<br />
Brookfieldův viskozimetr<br />
druh vřetene (3sady)<br />
„smyková rychlost“ = otáčky<br />
doba působení<br />
16
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong> 2-32 N322002 (21-3-12)<br />
Metody založené na Roztékání<br />
Rychlé „vylití“ definovaného množství<br />
Měření nerovnoměrné plochy planimetrem<br />
(výšky vrstvy)<br />
Kvalita vajec<br />
Poloměru<br />
jablečný protlak apod.<br />
Délky<br />
Bostwick – rajský protlak, kečupy<br />
– pro newtoské kap. 1,41<br />
q – objem / šířka<br />
n – kinematická viskozita<br />
t – doba měření<br />
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong> 2-33 N322002 (21-3-12)<br />
Závislost viskozity na koncentraci<br />
relativní viskozita<br />
inkrement relativní viskozity<br />
(specifická viskozita)<br />
<br />
r<br />
s<br />
<br />
s sp<br />
<br />
<br />
limitní viskozitní číslo (vlastní, vnitřní viskozita, ml.g-1 )<br />
stanovení<br />
– ředění na hsp 0,2 až 1 <br />
viskozita disperzí<br />
zředěné<br />
<br />
<br />
sp <br />
lim <br />
<br />
c0<br />
c <br />
sp<br />
2<br />
k1<br />
<br />
c<br />
c<br />
<br />
r 1<br />
k d<br />
1 2,<br />
5<br />
tuhé kulové částice - Einsteinova rovnice (k=2,5; n = 1)<br />
r<br />
hydrodynamický objem částic (tvar částic, hydratace, náboj)<br />
koncentrované<br />
interakce, deformovatelnost a tvar částic<br />
Agregace - uzavřený objem<br />
poměr skutečného a maximálního objemového zlomku<br />
c koncentrace dispergované látky h s viskozita rozpouštědla (disp.prostředí)<br />
f d objemový zlomek dispergované látky k konstanta odpovídající [h]<br />
<br />
s<br />
d<br />
17
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong> 2-34 N322002 (21-3-12)<br />
Závislost viskozity na koncentraci<br />
poměr skutečného a maximálního objemového zlomku<br />
Krieger-Dougherty<br />
d <br />
1<br />
<br />
<br />
r <br />
max <br />
max<br />
<br />
<strong>Fyzikální</strong> <strong>vlastnosti</strong> <strong>potravin</strong> 2-35 N322002 (21-3-12)<br />
Závislost viskozity na koncentraci<br />
Roztoky (bio)polymerů - empirické vztahy<br />
k e<br />
a<br />
ac <br />
změna parametrů pro různé rozmezí koncentrací<br />
(kritické koncentrace)<br />
izolované molekuly<br />
polozředěný systém<br />
vliv interakcí<br />
koncentrovaná oblast<br />
proplétání řetězců<br />
mez toku, tixotropie,<br />
viskoelasticita, fyzikální gel<br />
k c<br />
a<br />
b<br />
c ..koncentrace<br />
k, a, b .. konstanty<br />
18
Change language