دانلود پایان نامه ارشد درمورد امولسيون، پديده، دانسيته

دانلود پایان نامه ارشد

بالاتري نسبت به فازهاي مجزاي اوليه قرار گيرند. به عبارتي بهتر، امولسيون ها تمايل دارند که با گذشت زمان به حالت تعادل (سطح انرژی پایین تر) برسند که منظور از حالت تعادل، شکستن كامل دو فاز آب و روغن است. چهار سازوکار فيزيكي عمده دخیل در شکستن امولسیون ها عبارتند از: خامه ای شدن(Creaming)، انبوهش(لخته شدن) (Flocculation)، الحاق (Coalescence)، Ostwald ripening و وارونگی فاز (Phase inversion). همچنين فرايند هاي شيميايي به علت تغيير در ساختار شيميايي مولکول ها بوجود مي آيند. از جمله ناپایداری های شيميايي مي توان هيدروليز و اكسايش را نام برد (4, 27, 31).

شکل 2-2- تصويري شماتيک از انواع ساز و کار هاي ناپايداري امولسيون ها (27).
2-2-1-بهم پیوستگی (Coalescence)
هنگامي بهم پیوستگی قطرات در یک سیستم امولسيون رخ می دهد، قطرات موجود در سيستم بسيار به هم نزديك شوند و توده اي بوجود آورند. به عبارتي قطرات اوليه پس از پيوستن به يكديگر به يك قطره بزرگتر (نه تجمعي از قطرات اوليه) تبديل مي شوند (شكل 2- 2). McClements در سال 2004 بيان داشت که توانايي قطرات امولسيون براي ايجاد فرآيند بهم پيوستگي در سيستم به دو عامل بستگي دارد که شامل ماهيت نيروهاي غالب ميان قطرات (نيروهاي جاذبه برهم كنش هاي كلوئيدي و نيروهاي مكانيكي) و هم چنین ميزان مقاومت لایه محافظ تشکیل شده توسط امولسيفاير در برابر شکستن می باشد (27). از جمله دلایلی که بر سرعت بهم پیوستگی تاثیر می گذارد عبارتند از: برخورد بين قطرات، زمان تماس بين قطرات و تشكيل منفذ بر روي لایه تشکیل شده توسط امولسیفایر برخورد بین قطرات در نتیجه حرکت قطرات ایجاد می شود كه منشاء اين حركت بر اثر حركت براوني (Brownian motion)، جدايش در اثر نيروي جاذبه و يا نيروهاي مكانيكي به كار رفته می باشد که اگر این حرکات باعث جدا شدن امولسیفایر از روی قطرات شود بهم پیوستگی بین قطرات ایجاد می شود. بنابراين سرعت بهم پيوستگي به فركانس برخورد (Collision frequency) و بازده برخورد (Collision efficiency) بستگي دارد. فركانس برخورد عبارت است از تعداد برخورد قطرات در واحد زمان و واحد حجم امولسيون. McClements در سال 2004 بيان داشت که رابطه زير براي امولسيون هايي با جزء حجمي كم از فاز پراكنده و قطرات بطور كامل كروي صادق است:
(1)
اين معادله، رابطه ميان فرکانس برخورد (FB) را با هر يک از عوامل زير بيان مي دارد:
1η ويسكوزيته فاز پيوسته،T دماي مطلق، k ثابت استفان بولتزمن، φ جزء حجمي فاز پراكنده، r شعاع قطره (27). با توجه به رابطه فوق اگر جزء حجمي فاز پراكنده افزايش يابد و ويسكوزيته فاز پيوسته كم و يا اينكه قطرات كوچكتر شوند، فركانس برخورد افزايش يافته كه نتيجه آن افزايش سرعت بهم پيوستگي قطرات در سيستم امولسيون است. بنابراين در نبود امولسيفاير (به دليل عدم ايجاد غشاي محافظ در اطراف قطرات) بازده برخورد بسيار زياد است. از اين رو، در امولسيون هايي كه مقدار امولسيفاير كافي نباشد، احتمال پديده بهم پيوستگي بسيار زياد است. اما در صورت وجود امولسيفاير به مقدار كافي، به واسطه وجود برهم كنش هاي دافعه ميان قطرات امولسيون، بازده برخورد بسيار كم است. بازده برخورد بيانگر ميزان مواجهات قطرات امولسيون با يکديگر است كه منجر به ناپايداري امولسيون مي شود. بازده برخورد در بازه صفر تا يك متغير است. عدد صفر نشانگر عدم وقوع پديده بهم پيوستگي و لخته شدن و عدد يك به منزلة برخورد مؤثر تمام قطرات با يكديگر است. بعلاوه اين شاخص به برهم كنش هاي كلوئيدي و هيدروديناميكي ميان قطرات وابسته است. روابط بسياري براي تعيين بازده برخورد بر پايه نوع ساز و کار برخورد وجود دارد كه در اينجا تنها رابطه مربوط به ساز و کار حركت براوني را اشاره مي کنيم:
(2)
در اين رابطه nt، تعداد كل قطرات بر واحد حجم امولسيون و EB بازده برخورد مي باشد (27).
2-2-2- انبوهش یا لخته شدن ((Flocculation
قطرات در امولسيون ها به دلیل عوامل مختلفی از جمله وجود انرژي حرارتي، نيروهاي جاذبه و يا نيروهاي مكانيكي به کار گرفته شده در سيستم، بطور دائم در حال حركت هستند. در اثر اين برخورد، قطرات از هم دور مي شوند و يا اين كه تشكيل توده مي دهند كه اين مساله به بزرگي نيروهاي دافعه و جاذبه موجود ميان قطرات امولسيون بستگی دارد. در اثر وقوع فرآيند انبوهش، دو يا چند قطره براي ايجاد يك توده به هم نزديك مي شوند، اما هر قطره امولسيون، خصوصيت خود را به شكل اوليه يك قطره، در حالت توده بوجود آمده حفظ مي كند (شكل 2- 2). زماني فرآيند لخته شدن روي مي دهد كه ميزان نيروهاي جاذبه واندروالسي ميان قطرات امولسيون از نيروهاي دافعه الكترواستاتيكي بين آنها بيشتر شود، به عبارتي اين فرآيند زماني به وقوع مي پيوندد كه ميزان انرژي جنبشي آزاد شده به واسطه برخورد قطرات فاز پراكنده با يكديگر بيشتر از انرژي دافعه بين قطرات باشد. در اين صورت فاصله قطرات از يكديگر به حدي كم مي شود كه در فضايي كه نيروهاي جاذبه عمل مي كنند قرار گرفته و بدين دليل موجب مي شوند قطرات به يکديگر بچسبند. بديهي است که با ادامه روند لخته شدن، از تعداد قطرات موجود در امولسيون كم مي شود. بنابراين با تغيير تعداد قطرات موجود در امولسيون در طي زمان، مي توان به سرعت لخته شدن پي برد. اگر همان گونه که بيان شد، nt نمايانگر تعداد كل قطرات بر واحد حجم امولسيون باشد، در اين حالت مي توان داشت:
(3)
در اين رابطه، t زمان، F فركانس برخورد و E بازده (احتمال) برخورد است. به سبب كاهش تعداد قطرات بر اثر لخته شدن، عبارت منفي است که این علامت منفي در رابطه فوق در نظر گرفته شده است. همچنين، عدد در اين رابطه، بيانگر اين واقعيت است که برخورد دو قطره در طي اين پديده منجر به تشکيل يك قطره و به طور کلي کاهش تعداد قطرات موجود در امولسيون مي شود. اين رابطه آشکار مي سازد که بالا بودن فركانس برخورد و بازده برخورد كه به تشكيل توده مي انجامد، سرعت بوجود آمدن اين پديده را در سيستم هاي امولسيوني تسهيل مي کند. به همين دليل براي كاهش فركانس برخورد و به دنبال آن كاهش سرعت لخته شدن قطرات امولسيوني، با توجه به رابطه (1)، بايد ويسكوزيته فاز پيوسته را افزايش يابد و برعکس، جزء حجمي فاز پراكنده را تا حد امکان كاهش دهيم. به علاوه کم نمودن اختلاف دانسيته ميان فاز پراكنده و پيوسته در امولسيون توليدي و همچنين گسترده نبودن دامنه توزيع اندازه ذرات امولسيوني مي تواند تا ميزان قابل ملاحظه اي فرکانس برخورد را کاهش دهد و از بروز اين پديده بکاهد. مطابق با نظريه DLVO، به منظور بيشتر نمودن پايداري امولسيون در مواجهه با پديده لخته شدن، بايد ميزان انرژي بالايي در حدود kT 20 در امولسيون به کار گرفته شود تا سيستم براي مدت زمان طولاني پايدار بماند (32). اين نظريه بيش از نيم قرن توسط Derjaguin و Landua در روسيه و Verwey و Overbeek در هلند به طور همزمان و مستقل از يكديگر، براي تفسير پديده هاي شناخته شده در ارتباط با پايداري سيستم هاي ديسپرسيوني و به طور مخصوصي سيستم هاي كلوئيدي، نظريه واحدي را ارائه نمودند. بنابراين به واسطه تلاش هاي اين چهار شخص، نام اين نظريه را DLVO ناميدند. اين نظريه براي سيستم هاي پراكنش يافته اي مصداق دارد كه بزرگي اندازه ذرات پخش شده در آن حداكثر به 10 ميكرومتر مي رسد. زماني که در يك سيستم ديسپرسيوني مانند امولسيون ها، دو قطره با شعاع برابر به يكديگر نزديك مي شوند، بر اساس نظريه DLVO، نيروي كل حاکم بر فضاي ميان دو قطره،‌ به صورت برآيندي از دو نيروي جاذبة واندروالسي و نيروي دافعه الكترواستاتيكي تعريف مي گردد (27).
2-2-3- جدایش گرانشی (Creaming)
جداشدن گرانشي يكي از معمول ترين ساز و کار هاي ناپايداري در صنعت غذا به حساب مي آيد و متخصصان اين صنعت همواره تلاش مي کنند تا ميزان ته نشست و يا لايه خامه اي و نيز حساسيت يك محصول به ناپايداري از اين نوع را در طول مدت زمان طولاني براي نگهداري را به حداقل کاهش دهند. به طور کلي دانسيته قطرات پراكنده شده در سيستم امولسيوني با فاز پیوسته كه اين قطرات را احاطه كرده متفاوت است. از اين رو، نيروي گرانشي خالصي بر آن ها اعمال مي شود. اگر قطرات داراي دانسيته اي كمتر از دانسيته فاز پيوسته باشند، تمايل دارند به سمت بالا حركت كنند، كه در اين حالت پديده خامه اي شدن روي مي دهد (شكل 2- 2). برعکس زماني که قطرات فاز پراكنده از دانسيته بيشتري نسبت به مايع احاطه كننده برخوردار باشند، تمايل دارند به سمت پايين حركت نمايند. در اين صورت اين پديده را ته نشيني (Sedimentation) مي ناميم (شكل 2-2). دانسيته بيشتر روغن هاي خوراكي در حالت مايع از دانسيته آب کمتر مي باشد. به همين دليل فاز روغني تمايل دارد تا به سطح امولسيون آمده و بر عکس فاز آبي در پايين تجمع مي کند. بدين خاطر است که در يك امولسيون روغن در آب مانند امولسيون هاي نوشيدني، قطرات تمايل دارند تا لايه خامه اي تشكيل دهند. اين در حالي است که در امولسيون آب در روغن مانند کره، تمايل به ته نشيني بيشتر مشاهده مي شود. البته متذکر مي شويم که گاهي اين امكان وجود دارد كه در امولسيون هاي روغن در آب نيز پديده ته نشيني صورت پذيرد. به طور مثال هنگامي كه در فاز روغني يك امولسيون روغن در آب، ماده وزن دهنده اي مورد استفاده قرار گيرد و يا در همين فاز، كريستال هاي چربي وجود داشته باشد. بررسي ها نشان مي دهد كه جداشدن گرانشي يا به عبارتي پديده هاي ته نشيني یا خامه اي شدن در امولسيون در اثر دو ساز و کار پديد مي آيد. اين ساز و کار ها عبارتند از: 1) اختلاف ميان دانسيته فاز پراكنده و فاز پيوسته در امولسيون که معمولا در امولسیون های روغن در آب باعث خامه ای شدن و در امولسیون های آب در روغن موجب پدیده ته نشینی می شود که هر کدام از پدیده های مذکور شرايط لازم را براي حلقه اي شدن (Ringing) و اکسایش روغن فراهم می سازد. پديده حلقه اي شدن، شکل گيري يک حلقه سفيد در اطراف گردنه بطري است، در حالي که پديده اکسايش روغن به شکل گرفتن سطح روغني درخشان بر روي امولسيون تعريف مي شود. اين پديده ها مي توانند در طي ساز و کارهايي مانند بهم پيوستگي و لخته شدن نيز بوجود آيند. 2) اختلاف دانسيته توده حاصل از فرايند هاي لخته شدن و يا بهم پيوستگي با دانسيته فاز پيوسته (27). معمولا برای پیش بینی پایداری امولسیون ها در برابر دو فاز شدن از مدل های ریاضی مانند قانون استوکس استفاده می شود. معمولا به یک قطره در فاز پراکنده، سه نیروی مختلف از جمله نیروی جاذبه، نيروي اصطكاكي و نيروي ارشميدسي وارد می شود که برآیندشان منجر به معادله استوکس می گردد. نيروي جاذبه از رابطه زير بدست می آيد:
(4)
در اين رابطه، r شعاع قطره، g شتاب ثقل، 1ρ و 2ρ به ترتيب دانسيته فاز هاي پيوسته و پراكنده هستند.
نيروي اصطكاك در خلاف جهت حركت قطرات صورت مي پذيرد، به طوري که وقتي قطرات از ميان فاز پيوسته به سمت بالا حركت مي کنند، بر روي آنها يك نيروي اصطکاک در خلاف جهت بر آنها وارد مي شود كه از رابطه زير محاسبه مي شود:
(5)
در اين رابطه، v سرعت بالا رفتن قطره، η ويسكوزيته فاز پيوسته و r شعاع قطره است (27).
اگر برآيند نيروهاي وارده بر قطره صفر باشد،‌ سرعت قطره بي شک به سرعت ثابتي مي رسد كه به آن سرعت حد گويند كه مي توان براي محاسبه آن از رابطه زير (قانون استوكس) استفاده نمود :
(6)
علامت سرعت در اين رابطه بيانگر جهت حركت قطرات و نشان دهنده هر يك از پديده هاي ته نشيني و خامه اي شدن است. علامت مثبت (+) به منزله حركت قطره به سمت بالا و علامت منفي (-) نشان دهنده حركت به سمت پايين است. براساس قانون استوكس معلوم مي گردد كه با كاهش اختلاف دانسيته ميان دو فاز پراكنده و پيوسته، كاهش شعاع قطرات و افزايش ويسكوزيته فاز پيوسته ميزان جداشدن در اثر نيروي گرانشي را كاهش می یابد. علاوه بر اندازه ذرات در امولسيون ها، توزيع اين ذرات نيز از اهميت بالايي برخوردار است، به طوري که هرچه توزيع اندازه قطرات بيشتر باشد، ويسكوزيته

پایان نامه
Previous Entries دانلود پایان نامه ارشد درمورد مواد غذایی، مقیاس سنجش، نیروی کشش Next Entries دانلود پایان نامه ارشد درمورد دینامیکی، مواد غذایی، کاربرد مستقیم