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ISFRS2015 RheonicsFeature

7. INTERNATIONALES SYMPOSIUM FÜR LEBENSMITTELREOEOLOGIE UND -STRUKTUR: Ein neuartiges Prozessviskosimeter für Anwendungen in der Lebensmittelrheologie

Übersicht

Das Internationale Symposium für Lebensmittelrheologie und -struktur (ISFRS) wurde vom Institut für Lebensmittel, Ernährung und Gesundheit der ETH Zürich ausgerichtet.

Das Internationale Symposium für Lebensmittelrheologie und -struktur befasst sich mit den Bedürfnissen von Lebensmittelrheologie- und Strukturforschern. Das Symposium widmet sich der Rheologie von Lebensmitteln und verwandten Systemen, der Analyse der Lebensmittelstruktur und -struktur sowie der komplexen Beziehung zwischen Lebensmittelverarbeitung, Struktur, Rheologie und der daraus resultierenden Lebensmittelqualität. Einen Überblick über den Stand der Technik und einen detaillierten Fokus auf aktuelle Problembereiche geben die Eröffnungsvorlesung und mehrere Hauptvorträge, die von bekannten Wissenschaftlern gehalten werden.

Dr. Joe Goodbread, CTO von Rheonics, hielt einen Vortrag über „Ein neuartiges Prozessviskosimeter für Anwendungen in der Lebensmittelrheologie“; unter Berufung auf die Verwendung von  SRV Viskosimeter in Anwendungen der Lebensmittelrheologie.

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Buch der Zusammenfassungen ISFRS 2015

Abstrakt

Vibrationsprozessviskosimeter sind seit fast 60 Jahren bekannt, haben jedoch nur bescheidene Anwendung in Lebensmittelherstellungsprozessen gefunden, bei denen die Kontrolle der Produktkonsistenz eine hohe Priorität hat. Dies ist auf die tief verwurzelte Überzeugung der Prozessbetreiber zurückzuführen, dass nur Messungen mit definierter Scherung das Verhalten der normalerweise nicht-Newtonschen, häufig inhomogenen Produkte, die sie herstellen, vorhersagen können. Ein neues Instrument, das Rheonics SRV-Prozessviskosimeter, stammt von einer Reihe von Schwingungsviskosimetern ab, die in der Lebensmittelindustrie breite Akzeptanz gefunden haben, da sie sich als fähig erwiesen haben, die Konsistenz in komplexen Prozessen wie Teigmischen, Käsekoagulation, zu kontrollieren. und Bier pürieren. Das SRV baut auf diesem Erbe auf und fügt ihm eine neuartige ausgeglichene Resonatorstruktur hinzu, die es kompakt, einfach zu installieren und frei von der Empfindlichkeit gegenüber Montagebedingungen macht, die frühere Konstruktionen geplagt haben, denen die symmetrische Struktur fehlt. Da Schwingungsviskosimeter durch Messen der Energieverlustrate eines in die zu prüfende Flüssigkeit eingetauchten Resonators funktionieren, schränken zusätzliche Energieverluste aufgrund von Schwingungen, die auf umgebende Strukturen übertragen werden, die Stabilität und Reproduzierbarkeit der Messungen des Instruments ein. Der zum Patent angemeldete symmetrische Rheonics-Resonator gewährleistet die höchstmögliche Reproduzierbarkeit und Stabilität in einem Resonanzinstrument, indem die Übertragung der Resonatorschwingungen auf umgebende Strukturen verhindert wird. Weitere Verbesserungen gegenüber herkömmlichen Schwingungsviskosimetern sind patentierte Systeme zur Unterdrückung von Umgebungsschwingungen aufgrund von Pumpen und anderen Prozessmaschinen sowie fortschrittliche elektromagnetische Wandler mit beispielloser Unterdrückung magnetischer Störungen durch benachbarte Maschinen. Das Rheonics SRV hat sich bereits in einer komplexen Güllebeschichtungs-Prozesslinie bewährt, für die der Bediener zunächst glaubte, dass nur ein rheologisch genaues Instrument den Prozess unter Kontrolle bringen könnte. Der Bediener stellte fest, dass die hohe Empfindlichkeit und Stabilität des SRV die Steuerung des Prozesses durch eine Einzelpunktmessung ermöglichte, während eine Batterie anderer Instrumente zur Messung der Dichte und des Feststoffgehalts nicht empfindlich genug war, um die kleinen Schwankungen des Prozessstroms zu messen waren entscheidend für eine gleichmäßige, haftende Beschichtung.

Anwendungen

Das SRV kann überall dort eingesetzt werden, wo Einpunktmessungen der scheinbaren Viskosität erforderlich sind, ob in Newtonschen oder nicht-Newtonschen Flüssigkeiten.

Anwendungen:

  • Batter mischen
  • Kontrolle der Viskosität von Schweröl
  • Überwachung und Kontrolle des Aufschlämmungsbeschichtungsprozesses
  • Pumpoptimierung
  • Überwachung der Polymerisation

Erforschung der Schwingungsviskosimetrie für rheologische Messungen

  • Das Schwingungsviskosimeter scheint ein unwahrscheinlicher Kandidat für rheologische Messungen zu sein:
    • Die Scherung erfolgt in einer dünnen Grenzschicht um die Sonde herum und nicht in der Schüttflüssigkeit
    • Die Scherung ist oszillierend und ändert ihre Richtung mit der Frequenz der Sondenschwingung - ungefähr 7.4 kHz. für den Rheonics SRV.
    • Der Sensor wird effektiv in ein semi-unendliches Flüssigkeitsvolumen eingetaucht, so dass die Geschwindigkeitsgradienten undefiniert sind.
  • Positiv ist, dass:
    • Sie sind sehr stabil
    • Obwohl die Schergeschwindigkeit unbekannt und nicht erkennbar ist, ist sie wiederholbar, so dass Schwingungsviskosimeter gut geeignet sind, die Fließeigenschaften eines Fluids in einer Prozessumgebung konstant zu halten

Das Überlagern eines Scherfeldes mit einem Schwingungsviskosimeter kann nützliche rheologische Informationen liefern

  • Beobachtung: Wenn ein Schwingungssensor wie der SRV in einem hoch schergeschwindigkeitsempfindlichen Material wie Tomatenketchup platziert wird, schwankt seine angezeigte Viskosität stark, wenn die Sonde durch das Material bewegt wird.
  • Dies deutet darauf hin, dass eine Änderung der Schergeschwindigkeit Informationen über die scherempfindlichen Eigenschaften des Fluids liefern könnte, wenn der Sensor in ein gleichmäßiges, steuerbares Scherfeld gebracht würde.

Ein einfaches Rheometer mit überlagerter Scherung

  • Ein Probenzylinder wird von einem Motor mit steuerbarer Drehzahl um seine Achse gedreht
  • Die Schwingungsviskosimetersonde ist in die Flüssigkeit eingetaucht
  • Die angegebene Viskosität des Fluids wird aufgezeichnet, wenn die Rotationsrate variiert wird
Ein einfaches Rheometer mit überlagerter Scherung

Das "Ketchup-Messgerät"

  • Ein Rheonics SRV-Viskosimeter wird in einen Zylinder getaucht, der eine Probe Tomatenketchup enthält.
  • Ein computergesteuerter Motor (unterhalb der Holzplattform) dreht die Probe mit einer Reihe fester Raten und Dauern.
  • Die Viskosimeter-Steuerbox überträgt die gemessenen Viskositätswerte an den Computer.
Das "Ketchup-Messgerät"

Überlagertes Scherverhalten von Ketchup

  • Die angezeigte Viskosität im stationären Zylinder beträgt etwa 120 mPa.S. (Region 1)
  • Wenn sich der Zylinder dreht, fällt die angezeigte Viskosität. Jeder Schritt ist eine Verdoppelung der Rotationsrate. Die Viskosität nähert sich einer Asymptote (Region 2)
  • Wenn die Rotation gestoppt wird, steigt die Viskosität langsam auf ein neues asymptotisches Niveau an (Region 3).
  • Bestimmte Merkmale dieses Verhaltens sind genau wiederholbar (zweiter Messzyklus).
Überlagertes Scherverhalten von Ketchup

Traditionelle Messung der Ketchup-Konsistenz: das Bostwick Consistometer

  • Ketchup darf unter seinem eigenen Gewicht fließen. Die in 30 Sekunden zurückgelegte Strecke ist ein Maß für die Konsistenz.
  • In unserem Labor wurde ein improvisierter Trog vom Bostwick-Typ verwendet, um 3 verschiedene Ketchup-Produkte zu messen. Die zurückgelegten Entfernungen waren:
    • Ketchup 1 (eine beliebte Marke): 13 mm
    • Ketchup 2 (eine „Budget“ -Ladenmarke): 39 mm
    • Ketchup 3 (eine „leichte“ Handelsmarke): 28 mm
Bostwick Konsistometer

Verhalten von 3 Ketchups bei überlagerten Schermessungen

  • Beobachtungen
    • K1 hatte das niedrigste Bostwick, die höchste Anfangsviskosität und die langsamste Erholung.
    • K2 hatte die niedrigste Hochscherviskosität und die schnellste Wiederfindung.
    • K3 war Scherverdünnung bei niedrigen Raten, Scherverdickung bei höheren Raten
    • Die endgültig gewonnene Viskosität korrelierte gut mit der Bostwick-Konsistenz
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Schlussfolgerungen

  • Überlagerte Scherung hatte einen großen Einfluss auf die angegebene Viskosität.
  • Korrelationen zwischen überlagerter Scherung und angegebener Viskosität waren für alle drei Ketchup-Sorten wiederholbar.
  • Jede Ketchup-Sorte hatte eine einzigartige und wiederholbare "Signatur" -Reaktion auf Variationen der überlagerten Scherung.
  • Die "wiederhergestellte" angegebene Viskosität korrelierte gut mit der Messung des Bostwick-Konsistometers, was bedeutet, dass diese Methode für Online-Inline-Messungen mit denselben Eigenschaften verwendet werden kann, die durch Bostwick-Messungen erfasst wurden.

Offene Fragen und zukünftige Arbeit

  • Wie interagiert die lokale Scherung in der oszillatorischen Grenzschicht mit der globalen Scherung im überlagerten Scherfeld?
  • Was können uns diese Messungen über die Struktur ketchupartiger Substanzen sagen - solche mit Fließspannung und scherabhängiger Viskosität? Warum braucht das stärker strukturierte Material - Ketchup 1 - mehr Zeit, um zu einem Ruheviskositätswert zurückzukehren, als das am wenigsten strukturierte - Ketchup 2?
  • Zukünftige Experimente werden die relativen Amplituden der Schergeschwindigkeiten sowohl im oszillatorischen als auch im überlagerten Scherfeld variieren, um sowohl ihre relativen Beiträge als auch die Art ihrer Wechselwirkungen zu verstehen.

Lösungen

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