Właściwości mechaniczne tkanki buraczanej - rodzaje, sposoby pomiaru i znaczenie w technologii cukru

Transkrypt

1 Właściwości mechaniczne tkanki buraczanej - rodzaje, sposoby pomiaru i znaczenie w technologii cukru Gruska Radosław, Wawro Stanisław Politechnika Łódzka Instytut Chemicznej Technologii Żywności Zakład Cukrownictwa

2 Właściwości materii Chemiczne Fizyczne Mechaniczne

3 Właściwości mechaniczne Właściwości mechaniczne określają zdolność materiału do przenoszenia obciążeń (przeciwstawiania się działaniu sił zewnętrznych).

4 Właściwości mechaniczne Do właściwości mechanicznych tkanki zalicza się: wytrzymałość na zginanie, wytrzymałość na ściskanie, wytrzymałość na rozciąganie, wytrzymałość na ścinanie, moduł sprężystości, moduł odkształcenia postaciowego.

5 Właściwości mechaniczne tkanki buraków cukrowych 1.Wytrzymałość na ściskanie (Maksymalne naprężenie, jakie materiał może wytrzymać w warunkach działania obciążenia zgniatającego.) 2. Wytrzymałość na rozciąganie/ rozerwanie (Obciążenie lub siła rozciągająca konieczna do rozerwania materiału.)

6 Właściwości mechaniczne tkanki buraków cukrowych 3. Opór krajania (Praca zużyta na krajanie tkanki.) 4. Moduł sprężystości (moduł Younga) (Wyraża zależność względnego odkształcenia liniowego materiału od naprężenia, jakie w nim występuje w zakresie odkształceń sprężystych.)

7 Sposoby pomiaru właściwości mechanicznych 1.Wytrzymałość na ściskanie Badanie polega na przyłożeniu obciążenia ściskającego, którego konsekwencją jest zniszczenie próbki.

8 Sposoby pomiaru właściwości mechanicznych 1.Wytrzymałość na ściskanie Wartością liczbowa tej wytrzymałości jest iloraz siły ściskającej, która spowodowała zniszczenie struktury, oraz powierzchni, na którą działa siła ściskająca. RC = Fn/A, [MN/m2]

9 Sposoby pomiaru właściwości mechanicznych 2. Wytrzymałość na rozciąganie/rozerwanie Badanie polega na przyłożeniu obciążenia rozciągającego, którego konsekwencją jest zniszczenie próbki.

10 Sposoby pomiaru właściwości mechanicznych 2. Wytrzymałość na rozciąganie/rozerwanie Wartością liczbowa tej wytrzymałości jest iloraz siły rozciągającej, która spowodowała zniszczenie struktury, oraz powierzchni, na którą działa siła ściskająca. Rr = Fr/A, [MN/m2]

11 Sposoby pomiaru właściwości mechanicznych 3. Opór krajania Badanie polega na pomiarze siły tnącej, przesunięcia oraz czynnej długości ostrza noża w trakcie cięcia próbki. Frączek J., Mudryk K.: Inżynieria rolnicza, 2006, 13, Jednostka: kj/m2

12 Sposoby pomiaru właściwości mechanicznych 3. Opór krajania Frączek J., Mudryk K.: Inżynieria rolnicza, 2006, 13,

13 Sposoby pomiaru właściwości mechanicznych 4. Moduł sprężystości (moduł Younga) Wyznaczenie modułu Younga metodą statyczną za pomocą pomiaru wydłużenia badanego materiału obciążonego stałą siłą.

14 Sposoby pomiaru właściwości mechanicznych 4. Moduł sprężystości (moduł Younga) Gdzie: m masa, g stała grawitacji, l początkowa długość próbki, d średnica próbki, l zmiana długości próbki.

15 Sposoby pomiaru właściwości mechanicznych 4. Moduł sprężystości (moduł Younga) Wyznaczenie modułu Younga metodą statyczną za pomocą pomiaru skrócenia wymiarów poprzecznych badanego materiału obciążonego stałą siłą.

16 Sposoby pomiaru właściwości mechanicznych 4. Moduł sprężystości (moduł Younga) Gdzie: m masa, g stała grawitacji, h początkowa wysokość próbki, a/b długość/szerokość próbki, h zmiana wysokości próbki.

17 Sposoby pomiaru właściwości mechanicznych 4. Moduł sprężystości (moduł Younga) Wyznaczenie modułu Younga metodą ugięcia badanego materiału obciążonego stałą siłą.

18 Sposoby pomiaru właściwości mechanicznych 4. Moduł sprężystości (moduł Younga) Gdzie: F siła, l długość pręta, λ strzałka ugięcia, a grubość pręta (w kierunku strzałki ugięcia), b szerokość pręta. Gdzie: F siła, l długość pręta, λ strzałka ugięcia, d średnica pręta.

19 Właściwości mechaniczne w cukrownictwie

20 Budowa tkanki buraków cukrowych A A A A

21 Właściwości mechaniczne tkanki buraków cukrowych Właściwości mechaniczne mają znaczenie podczas: - transportu i mycia korzeni, - krajania korzeni, - ekstrakcji krajanki,

22 Czynniki wpływające na właściwości mechaniczne Związane z hodowlą/uprawą: 1.Odmiana buraków. 2.Region klimatyczny. 3.Termin zbioru. 4.Nawadnianie.

23 Czynniki wpływające na właściwości mechaniczne Związane z procesami technologicznymi: 1.Warunki przechowywania. 2.Parametry ekstrakcji. 3.Związki chemiczne.

24 Właściwości mechaniczne tkanki buraków cukrowych Klasyfikacja mechanicznych właściwości tkanki buraków cukrowych (Vukov). Właściwości mechaniczne Buraki Wytrzymałość na ściskanie, MN/m2 2,0 2,5, <3,0 (Nowicki) Wytrzymałość na rozerwanie, MN/m2 1,2 Opór krajania, kj/m2 0,8 1,4 0,5 0,8 (Kubiak) Moduł sprężystości, MN/m2 4,0 9,0

25 Zagrożenia technologiczne Mycie (wytrzymałość na ściskanie i rozerwanie, moduł sprężystości) Krajanie (opór krajnia, moduł sprężystości) Ekstrakcja (wytrzymałość na ściskanie, moduł sprężystości) Wyżymanie (wytrzymałość na ściskanie, moduł sprężystości)

26 Właściwości mechaniczne tkanki buraków cukrowych Moduł sprężystości, MN/m2 Opis korzeni Stan korzeni Zawartość wody w stosunku do zawartości początkowej, % 7 14 kruche świeże sprężyste przesuszone miękkie zwiędłe < 1.8 bardzo miękkie bardzo zwiędłe < 80

27 Metody modyfikacji właściwości mechanicznych 1. Metody fizykochemiczne: -. temperatura, -. prąd elektryczny, -. ultradźwięki, -. mikrofale, -. promienie gamma.

28 Metody modyfikacji właściwości mechanicznych 2. Metody chemiczne: - regulacja ph, dodatek związków o charakterze kwasowym, zasadowym lub obojętnym.

29 Metody modyfikacji właściwości mechanicznych 3. Metody biologiczne: - enzymatyczne (np. dodawanie celulazy, pektynazy czy fosfolipazy). 4. Inne: - przechowywanie, -. termin zbioru.

30 Metody modyfikacji właściwości mechanicznych Omówienie wybranych metod modyfikacji właściwości mechanicznych tkanki buraczanej.

31 Modyfikacja właściwości mechanicznych w praktyce Temperatura -niska temperatura powoduje uszkodzenie błon i ścian komórkowych poprzez igły krystalizującego lodu, -wysoka temperatura.

32 Modyfikacja właściwości mechanicznych w praktyce Temperatura W temp. 70 C do zdenaturowania 90% komórek parenchymy potrzeba 8 min, a komórek floemu 20 min. (Schneider, Hoffman-Walbeck).

33 Modyfikacja właściwości mechanicznych w praktyce Temperatura, 75 C moduł Younga (moduł sprężystości)

34 Modyfikacja właściwości mechanicznych w praktyce Temperatura, 75 C wytrzymałość na ściskanie (siła ściskająca 1.4 MN/m2)

35 Modyfikacja właściwości mechanicznych w praktyce Temperatura, 75 C opór krajania

36 Modyfikacja właściwości mechanicznych w praktyce Dodatek związków o charakterze kwaśnym, zasadowym lub obojętnym. -formalina (HCHO), kwas trichlorooctowy (CCl3COOH) -związki zawierające kation dwuwartościowy (CaCl2, CaSO4, Ca(OH)2, MgSO4), -związki zawierające kation trójwartościowy (Al2(SO4)3, Al(OH)3).

37 Modyfikacja właściwości mechanicznych w praktyce formalina (HCHO): W zakresie stężeń 0 0.1% zaobserwowano wzrost oporu krajania o ok. 20%. kwas trichlorooctowy (CCl3COOH): W zakresie stężeń 0 0.1% zaobserwowano niewielki wzrost oporu krajania o ok. 10%.

38 Modyfikacja właściwości mechanicznych w praktyce Dodatek Ca(OH)2, CaSO4 moduł Younga (20-40 mgcao/100g krajanki)

39 Modyfikacja właściwości mechanicznych w praktyce Dodatek Ca(OH)2, CaSO4 wytrzymałość na ściskanie (20-40 mgcao/100g krajanki)

40 Modyfikacja właściwości mechanicznych w praktyce Dodatek Ca(OH)2, CaSO4 opór krajania (20-40 mgcao/100g krajanki)

41 Modyfikacja właściwości mechanicznych w praktyce Ca2+

42 Modyfikacja właściwości mechanicznych w praktyce Ca2+ Kwas alginowy (polisacharyd kwasu mannurowego i gulurowego)

43 (1) temp. ogrzewania 75 C, czas ogrzewania 120 min (2) zawartość wapnia 90 mg CaO/100g, ph 12,3 (3) zawartość wapnia 70 mg CaO/100g, ph 5,6 (4) temp. przetrzymywania 25 C, czas przetrzymywania 20 min Modyfikacja właściwości mechanicznych w praktyce Dodatek Ca(OH)2, CaSO4 Rodzaj obróbki Moduł Younga, MN/m2 Wytrzymałość na ściskanie (odkształcenie), % Opór krajania, kj/m2 Tkanka żywa 4,15 2,6 4,0 Tkanka denaturowana(1) w wodzie destylowanej 0,40 7,2 1,5 Tkanka denaturowana w nasyconym roztworze Ca(OH)2 (2) 0,24 8,0 0,8 Tkanka denaturowana w nasyconym roztworze CaSO4 (3) 0,65 6,2 2,2 Tkanka zdenaturowana w wodzie destylowanej, ochłodzona, a następnie przetrzymywana(4) w nasyconym roztworze Ca(OH)2 Tkanka zdenaturowana w wodzie destylowanej, ochłodzona, a następnie przetrzymywana w nasyconym roztworze CaSO4 0,55 6,9 2,0 0,54 6,8 1,8

44 Podsumowanie Na właściwości mechaniczne tkanki wpływ mają zarówno stan błon komórkowych i ścian komórkowych, jak i zawartość wody w korzeniach. Moduł sprężystości (moduł Younga) można traktować jako jeden z wyznaczników jakości technologicznej korzeni buraków.

45 Podsumowanie Czynniki denaturujące powodują obniżenie wszystkich właściwości mechanicznych tkanki, przy czym największym zmianom ulega sprężystość tkanki. Dzięki związkom wapnia i magnezu można poprawić właściwości mechaniczne tkanki, jednak istotne jest, aby ph nie było zbyt wysokie.

46