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黄原胶流变学性质的实验研究

发布日期:2014-09-19 13:41:26
黄原胶流变学性质的实验研究的先容
黄原胶流变学性质的实验研究
黄原胶流变学性质的实验研究,研究了不同浓度黄原胶水溶液的流变学特性,回归了稠度系数K和流变参数n 与黄原胶浓度cp的关系.结果表明:溶液浓度较低时,黄原胶水溶液为牛顿性流体;随着 浓度的增加,逐渐转变为假塑性流体.可以分别描述为黄原胶浓度的函数:当0< C,, < 30 g/L时,K = 1 128C,: 572•当 0<<8 g/L时,n= 0 485- 0 16lnC„,•当 8 g/L< Cp < 30 g/
L时,n= 0 075+ 0 041lnC,,.
黄原胶亦称汉生胶或苫屯胶,白色或米黄色, 是由野油菜黄单孢菌以碳水化合物为主要原料, 经过发酵生产的一种微生物胞外酸性杂多 糖[,2].其分子主要由葡萄糖、甘露糖、葡萄糖醛 酸、乙酰基和丙酮酸组成,相对分子量在2 x 106 -5x107 之间.
黄原胶具有优良的増稠性和水溶性,对温度 和!H值的稳定性,良好的假塑性以及很好的悬 浮能力和乳化能力.据国外报道,其应用覆盖二十 多个行业的数十种产品,且市场对于黄原胶的需 求每年以7% - 8%的速度増加[3].因此,具有广 阔的市场前景和巨大的商业价值.目前美、英、法、
日、德等均大量生产黄原胶,形成五十余种产品规 格,黄原胶流变学性质的实验研究,广泛应用于食品、石油、医药、矿产等领域.国 内外研究者对黄原胶的流变学行为阐述较多,而 系统研究相对较少.本文以不同浓度黄原胶水溶 液为对象,研究黄原胶的流变学性质,对实际发酵 工艺和动力学研究具有一定的引导意义;对于设 计、优化和控制这类产品生产过程,提高发酵效率 和产品性能也具有重要的理论意义和现实意义.
1实验方法
1 1测量体系及方法
在21 °C条件下研究黄原胶水溶液流变学曲 线.称取一定量黄原胶,黄原胶流变学性质的实验研究,溶于200mL蒸馏水中,配 成不同浓度黄原胶溶液,8 h之后测量,浓度分别 为:2 4, 6 8 10 12, 14 16 18 2Q 22, 24 26 28 30g/I;本实验采用DV- 2+ PRO型数字式粘度 计,其配有相应App,剪切力T剪切速率Y以及 粘度U可由计算机直接读出.
12仪器及材料
黄原胶,淄博中轩股份有限企业;DV- 2 + PRO数字式粘度计,上海尼润智能科技有限公 司;AR3120型电子天平,Ohaus Corporation—
2结果与讨论
21黄原胶粘度与浓度的关系
黄原胶溶液粘度随着浓度的増加近似呈线性 上升趋势,如图1所示,即在相同剪切速率条件下 (以Y= 32 1 s-1为例),黄原胶粘度随浓度的増 大而均匀増加.对其进行线性回归,可以得到: 
U= - 0 311 + 0 118Cp,相关系数 R2 = 0. 992 〇< Cp < 30 g/L
越大,剪切稀化效应更为显著.
3.0
2.5
 
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Qg.L-丨
图1在Y= 32 1 s-1条件下黄原胶溶液粘度与浓度的关
Fig 1 Relationship between viscosity and concentration of xanthan gum solitions at Y= 32. 1s-1
1200 1000 ,800 600 400 200
"++ P〇〇0〇°
^°n°
/AAAAAAA
A A ,A A , A . A <f>.
A
2g/L
6 g/L
8p/L
12g/L
14g/L
16g/L
18p/L 20g/L 24 g/L 28 g/L 30 p/L
0
2030
y/s'1
4050
因此,在黄原胶发酵过程中,特别是发酵后 期,黄原胶流变学性质的实验研究,由于黄原胶的积累,发酵液的粘度随黄原胶浓 度的增加而进一步增大,导致体系中溶氧、传质和 混合比较困难,从而不利于黄原胶产量和质量的 提高.这对发酵工艺的改善、新型生物反应器的开 发及其内部构件(搅拌桨、气体分布器等)的优化 提出了迫切要求.
2 2黄原胶溶液流变特性
将实验测得的不同浓度黄原胶水溶液的剪切 力与剪切速率、表观粘度与剪切速率描绘成图,见 图2和图3所示.黄原胶溶液浓度较低时,呈现明 显的牛顿性流体特征,黄原胶流变学性质的实验研究,剪切力与剪切速率为线性 关系,剪切速率对粘度几乎没有影响;随着黄原胶 浓度的增加,溶液逐渐呈现典型的假塑性非牛顿 流体特征[5],剪切力随剪切速率增大而增加的程 度越来越小,表观粘度随着剪切速率的增加而迅 速减小.从分子水平角度来说明:一般认为,黄原胶流变学性质的实验研究,黄原 胶分子的带电荷侧链反向缠绕纤维素主链,形成 类似棒状的一级刚性结构;黄原胶分子间靠氢键 形成双股的二级螺旋立体结构;双股螺旋结构间 靠微弱的非共价键结合,形成三级螺旋聚合体结 构[4].在高剪切速率下,三级聚合体结构解聚为 一级刚性结构,因而溶液粘度迅速下降,当剪切速 率解除时,分子结构又恢复到双螺旋聚合体状态, 使溶液粘度恢复到最大[2].另外,黄原胶浓度越 高,流体假塑性越强,同样剪切条件下的表观粘度
图2黄原胶溶液剪切力与剪切速率的关系
Fig. 2 Relationship between shear stress and shear rate of xanthan gum solutions
30 r
 
203040
•y/s"1
图3黄原胶溶液表观粘度与剪切速率的关系
Fig. 3 Relationship of apparent viscosity and shear rate of Xanthan gum solutions
根据以上分析,黄原胶的粘度随着浓度的增加而 增大且剪切稀化效应越来越显著.这在实际黄原 胶发酵过程中,从提高传质混合效果角度,对搅拌 桨的选取具有一定的参考价值,可以考虑选用宽 粘度域、剪切能力较强、又具有一定循环能力的搅 拌桨或组合桨.从而在整个发酵过程中,该桨都能 够有效地促进全釜混合,同时由于其较强的剪切 能力,使发酵液得以剪切稀化,因而有利于促进传 质,提高溶氧浓度水平.
2 3稠度系数K和流变参数n与溶液浓度Cp的 关系
随着黄原胶浓度的增加,黄原胶溶液由牛顿 性流体转变为假塑性流体,而假塑性流体通常可 用幂律方程来描述.剪切力T与剪切速率Y的关 系可以表示为
T=T0+K,,⑴
式中:K为稠度系数,Pa* s"; n为流变参数,无量 纲.对于牛顿性流体: = 0 n = 1•对于假塑性流 体:TQ= Q„< 1[6].对式(1)两边取对数可得
]nT = lnK + n lnY.(2)
可见,lnT与]nY呈线性关系,直线的斜率为^截 距为lnK.
将实验所得的稠度系数K和流变参数n分 别对黄原胶浓度Cp作图,见图4由图4可知,稠 度系数K整体上随着黄原胶溶液浓度的增加而 增大对于流变参数n与Cp的关系,可以分为Q < Cp< 8 g/L和 8g/L<Cp <3Q g/L这两区域来 讨论:当Q< Cp < 8 g/L时,n值随着黄原胶浓度的 增加而急剧下降;当8 g/L< Cp <3Q g/L时,n值 略有上升,而后趋于定值,如图5所示.
 
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c^i-1
图4稠度系数A:与浓度Cp的关系
Fig. 4 Relationship between consistency index K and con centration Cp 0.4 r
0.3 ■♦
 
0.1 ■
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Qg.L-丨
图5流变参数n与浓度的关系
Fig. 5 Relationship between flow behavior index n and con¬centration Cp
根据图4和图5K和n可以分别描述为黄原 胶浓度Cp的函数,经过回归得到:当Q< Cp < 3Q g/L时,K= 1 128Cp1 572,对应相关系数为Q 955 对于流变参数n分为两区域来考虑,当Q< Cp < 8 g/L时,n= Q 485- Q 16lnCp;当 8 g/L< Cp <3Q g/L时,n= Q Q75+ Q Q41lnCp,对应相关系数分别 为 Q. 97 和 Q 91
3结论
(1)在实验浓度Q< Cp<3Q g/L范围内,黄 原胶水溶液的粘度与浓度呈线性关系,黄原胶流变学性质的实验研究,可用方程 U= - Q 311+ Q 118Cp 来描述.
(2)当浓度较低时,黄原胶溶液为牛顿性流 体;当浓度较高时,黄原胶溶液为假塑性流体,且 浓度越高,假塑性越强,剪切稀化效应越显著.
(3)随着黄原胶浓度的增加,稠度系数K由 小变大,流变参数n由大变小,且n始终小于1 根据以上分析,氏n主要受黄原胶浓度影响,因 而可以描述为Cp的函数,关联式为
K = 1. 128C,! 752, Q< Cp <3Q g/L, n = 0 485- 0 16lnCp, Q< Cp < 8 g/L, n= Q. Q75+ Q Q4lnCp, 8 g/L< Cp <3Q g/L
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