Дата публикации:
В пищевой промышленности вязкость – один из определяющих реологических показателей. Она влияет на текстуру, консистенцию и стабильность продукта. От контроля этого параметра зависит работа оборудования, качество смешивания, дозирование, однородность готовой продукции. В этой статье мы объясним вязкость простыми словами и определим ее виды.
Что такое вязкость жидкости?
Это показатель ее сопротивления течению, отражающий степень внутреннего трения между движущимися слоями. Чем выше вязкость, тем сильнее молекулы препятствуют взаимному перемещению, и тем больше энергии требуется для движения жидкости. Напротив, вещества с низким показателем текут легче, поскольку их молекулярное взаимодействие создает минимальное сопротивление.
В чем измеряется вязкость: кинематическая – мм²/с, динамическая – мПа·с.
Для наглядности можно привести простой пример. Если налить мед в пенопластовую чашку с отверстием, он будет вытекать очень медленно, так как его высокая вязкость ограничивает скорость течения. Вода в той же ситуации вытекает быстрее благодаря низкой вязкости.
Факторы, влияющие на вязкость
Также важно знать, от чего зависит вязкость. К основным факторам можно отнести температуру, давление и присутствие посторонних веществ. Давление обычно оказывает незначительное влияние и в большинстве случаев им пренебрегают. Добавление же иных молекул может существенно изменить свойства среды: например, добавление сахара делает воду более вязкой.
Главный фактор, определяющий величину вязкости, — это температура. При нагревании жидкостей вязкость становится ниже, так как молекулы получают больше энергии и легче преодолевают межмолекулярное притяжение. Для газов ситуация другая: увеличение температуры приводит к повышению вязкости. Это объясняется тем, что на вязкость газов слабее влияет притяжение между молекулами, а нагрев усиливает их подвижность и частоту столкновений.
Виды жидкостей по поведению вязкости
По тому, как жидкости реагируют на приложенное механическое усилие, их делят на несколько типов. Ниже расскажем об основных видах вязкости.
Ньютоновские жидкости
Это среды, вязкость которых не меняется при любых приложенных усилиях. Если увеличить действующую силу, сопротивление возрастает пропорционально, но сама вязкость не меняется. Иными словами, жидкость всегда сохраняет свои свойства и подчиняется закону Ньютона о внутреннем трении: скорость деформации или сдвига не влияет на вязкость.
Если изменить скорость перемешивания или интенсивности потока вязкость ньютоновской жидкости остается прежней. Поэтому при повышении скорости работы насоса расход возрастает прямо пропорционально.
К типичным примерам ньютоновских жидкостей относятся вода, масла, сиропы, углеводороды и различные смолы.
Неньютоновские жидкости
Они не подчиняются закону внутреннего трения Ньютона. В отличие от ньютоновских сред, большинство жидкостных систем относится именно к неньютоновским: их вязкость изменяется в зависимости от величины приложенной скорости сдвига (увеличивается или уменьшается при изменении нагрузки).
Псевдопластичные жидкости
Это разновидность неньютоновских сред, для которых характерно снижение вязкости при увеличении напряжения сдвига.
До приложения усилия такие жидкости обладают высокой вязкостью и внешне могут напоминать жидкости Бингама, однако, в отличие от последних, не имеют предела текучести. К примерам псевдопластичных жидкостей относятся соусы и кетчупы.
Дилатантные жидкости
Они относятся к классу неньютоновских сред, для которых характерно увеличение вязкости при возрастании скорости или напряжения сдвига. Иными словами, чем интенсивнее воздействие на такую жидкость, тем более плотной она становится.
Классическим примером служит водно-крахмальная суспензия, приготовленная в равных пропорциях. При медленном переливании она ведет себя как обычная жидкость, однако, при резком перемешивании или ударном воздействии заметно уплотняется и приобретает свойства густой массы, почти не поддающейся деформации.
Тиксотропные жидкости
Для них характерно постепенное снижение вязкости при длительном перемешивании и восстановление структуры в покое. Примером тиксотропной жидкости является майонез.
Динамическая и кинематическая вязкость
Динамическая вязкость характеризует внутреннее сопротивление жидкости деформации при движении, отражая трение между ее слоями. Она определяется как отношение напряжения сдвига к скорости деформации сдвига. Чем выше динамическая вязкость, тем гуще и тягучее является жидкость (к примеру, мед или глицерин). Низкая динамическая вязкость указывает на легкое течение жидкости, как в случае с водой или спиртом. Например, динамическая вязкость воды при 20 °C составляет примерно 1.002 мПа·с, что объясняет ее текучесть и способность легко проникать через фильтры или капилляры. А у глицерина, при той же температуре, вязкость превышает 1 000 мПа·с, он более вязкий по сравнению с водой.
Кинематическая вязкость учитывает не только внутреннее трение, но и плотность жидкости, что особенно важно при сравнении различных жидкостей. Она широко используется в технических характеристиках масел, так как напрямую отражает скорость течения жидкости под действием силы тяжести. Кинематическая вязкость позволяет объективно оценивать поведение жидкостей в условиях реального применения.
Как измеряется кинематическая вязкость: динамическая вязкость / плотность.
Как измеряют вязкость?
В промышленности применяются различные методы и приборы для измерения вязкости, выбор которых зависит от типа продукта и требуемой точности.
Наиболее распространенный метод – применение ротационных вискозиметров. Они определяют вязкость по сопротивлению вращению шпинделя в образце. Подходят для контроля соусов, паст, кремов, эмульсий.
Капиллярные вискозиметры измеряют время прохождения жидкости через узкую трубку под действием силы тяжести или давления. Их чаще всего применяют для низковязких и ньютоновских жидкостей.
Реометры – это высокоточные приборы, позволяющие строить реологические кривые, учитывать тиксотропию, определять поведение при различных температурах и скоростях сдвига. Используются в исследованиях и при разработке рецептур.
Узнать параметр можно в таблице вязкости жидкостей. Обычно в них указаны значения динамической и кинематической вязкости для различных веществ при определенных температурах.
Почему вязкость жидкости важна в пищевой промышленности
Вязкость – один из ключевых реологических параметров, определяющих поведение продукта при перекачивании, перемешивании, тепловой обработке и фасовке. Для инженеров пищевых производств контроль вязкости важен не только с точки зрения стабильности технологического процесса, но и для обеспечения высокого качества готовой продукции.
Контроль качества продукции
В пищевой отрасли многие стандарты качества (например, на молочные продукты, соусы, сгущенное молоко, кондитерские массы) косвенно или напрямую регламентируют вязкость. Ее стабильность гарантирует сохранение текстуры и способность продукта вести себя одинаково на всех стадиях обработки.
Для инженера это означает:
- возможность оперативно выявлять отклонения в рецептуре (избыток или недостаток сухих веществ, нарушение эмульгирования);
- контроль правильности температурных режимов, которые влияют на реологические свойства;
- подтверждение соответствия продукта требованиям технологической инструкции перед дальнейшими операциями (например, пастеризацией или гомогенизацией).
Расчет вязкости жидкости – это быстрый и надежный метод контроля качества без необходимости длительных лабораторных анализов.
Расчет параметров процессов
Понимание вязкости также необходимо для корректного инженерного расчета. Большинство технологических операций в пищевой промышленности основаны на транспортировке, перемешивании или изменении состояния продукта. Вязкость определяет поведение потока, распределение скоростей, потери давления и эффективность теплопередачи.
Перекачка: подбор насосов и трубопроводов
Вязкость определяет гидравлическое сопротивление в трубах и влияет на требуемое давление насоса. Неправильный выбор оборудования приводит к избыточному энергопотреблению, повышенному износу компонентов и нестабильности потока.
Например, для перекачки подсолнечного масла подходят двухвинтовые шнековые насосы, а для более вязких и густых веществ – кулачковые. При транспортировке майонеза, маргарина, плавленых сыров чаще всего используют классические винтовые насосы.
Перемешивание и гомогенизация
Высокая вязкость увеличивает потребляемую мощность мешалок и влияет на формирование потока. При работе с неньютоновскими жидкостями (например, йогуртами, кетчупами, пюре) важно учитывать зависимость вязкости от скорости деформации: продукт может становиться более текучим при интенсивном перемешивании. Это позволяет правильно подобрать тип мешалки и определить оптимальную частоту вращения.
Упаковка на автоматических линиях
Фасовочные машины рассчитаны на определенную текучесть продукта. Если вязкость ниже нормы, продукт плохо сохраняет форму. Если выше – нарушается дозирование, возникают рывки, неполная загрузка упаковки или повышенная нагрузка на механизмы. Для таких продуктов, как соусы, сиропы, кремы, пюре, контролируемая вязкость – ключевой параметр стабильной работы дозаторов и исключения брака.
Теплопередача
Вязкость продукта также влияет на эффективность пастеризации. Так, более вязкие жидкости хуже передают тепло и дольше достигают необходимой температуры по всему объему. Это приводит к увеличению времени обработки и повышает риск локального перегрева на стенках аппарата. Поэтому для обеспечения равномерного прогрева и сохранения качества продукта важно учитывать вязкость при расчете режимов пастеризации.
Практические рекомендации для инженеров
Инженеру важно правильно измерять вязкость продукта, а также учитывать полученные данные при работе с оборудованием, моделировании процессов и контроле технологических операций.
Как правильно измерять вязкость в производственных условиях
Есть несколько правил и особенностей замера вязкости, которые важно знать:
- Необходимо использовать вискозиметры, подходящие для конкретного диапазона вязкостей.
- Следует проводить измерения при стабильной температуре, так как даже небольшие отклонения (±1 °C) заметно изменяют вязкость многих продуктов.
- Важно отбирать репрезентативные пробы (тщательно перемешанные, без пузырьков воздуха и не подвергшиеся фазовому расслоению).
- Важно регулярно проводить калибровку оборудования.
Учет температуры и скорости деформации
Большинство пищевых продуктов – неньютоновские жидкости. Это означает, что их вязкость меняется в зависимости от скорости сдвига. Например:
- йогурт разжижается при перемешивании;
- шоколадная масса проявляет пластичность и требует определенного минимального напряжения для начала течения;
- майонез демонстрирует тиксотропное поведение, восстанавливая структуру после механического воздействия.
Поэтому инженеру необходимо учитывать не только паспортное значение вязкости, но и поведение продукта в рабочих условиях оборудования.
Важность реологического профиля продукта
Реологический профиль позволяет:
- точнее моделировать технологические процессы;
- оптимизировать мощности насосов, мешалок и теплообменников;
- прогнозировать поведение продукта при фасовке и транспортировке.
Для некоторых продуктов реологический профиль является обязательным параметром контроля.
Автоматизация контроля вязкости на линиях
Современные производственные линии оснащаются:
- онлайн-вискозиметрами, интегрированными в трубопровод, обеспечивающими непрерывный мониторинг;
- датчиками температуры, синхронизированными с системой управления, что позволяет корректировать параметры в реальном времени;
- системами ПИД-регулирования, изменяющими скорость насосов, дозаторов и мешалок при отклонении вязкости от целевого уровня.
Автоматизация снижает риск ошибки оператора и обеспечивает стабильность качества при минимальном вмешательстве человека.
Источники и дополнительные материалы
- Уилкинсон У.Л. Неньютоновские жидкости. – М.: Мир, 1964. – 216 с.
- Литературный источник: Теоретические и практические основы теплофизических измерений / Под ред. С.В. Пономарева. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. – 408 с. – ISBN 978-5-9221-0956-7.
- Горелов, А. С. Реология пищевых продуктов: учебное пособие. ТулГУ, 2020.
- Гинзбург, А. С., Громов, М. А., Красовская, Г. И. Тепло-физические характеристики пищевых продуктов. – 1980.
- ГОСТ 29226-91 «Вискозиметры жидкостей»
- ГОСТ 10028-81– стандарт распространяется на вискозиметры капиллярные из стекла;
- ГОСТ 31761-2012 Майонезы и соусы майонезные. Общие технические условия
- ГОСТ 31981-2013 Йогурты. Общие технические условия
- ГОСТ 28499-2014. Сиропы. Общие технические условия
- ГОСТ 34080-2017 Пасты десертные.
- ГОСТ 32063-2013. Кетчупы. Общие технические условия
