Особливості харчових продуктів та їх виробництва

2. Система, яка знаходиться  в стані рівноваги, сама, без  зовнішнього втручання, не може змінити цей стан і буде перебувати в ньому скільки завгодно довго.

3. Щоб вивести систему зі стану рівноваги, необхідно вплинути на неї ззовні шляхом зміни параметрів системи (температури, тиску, концентрації тощо).

Оскільки стан рівноваги  є динамічним, у рівноважній системі  можуть відбуватись два протилежних  за напрямом процеси. Один називається прямим  – спрямований на досягнення рівноважного стану, а другий зворотній – спрямований на зміну рівноважного стану. Який з цих двох процесів буде переважати в певний момент часу, визначається потенціалом системи. Процеси, які можуть перебігати в обох напрямах, називають зворотними, а ті, що не мають такі властивості, – незворотними.

Більшість фізичних процесів, які мають місце  в харчових технологіях – подрібнення, осадження, фільтрування, пресування, соління, коптіння, сушіння та ін., є  практично незворотними, тому що при їх проведенні створюють такі умови тобто потенціал, при яких вони можуть рухатись тільки в одному напрямку. Слід відзначити, що деякі процеси навіть при жорстких технологічних режимах не проходять до кінця. Наприклад, зворотними є процеси екстрагування, кристалізації, конденсації, абсорбції. Це являється причиною суттєвих втрат або зниження виходу кінцевого продукту в деяких харчових технологіях. Зворотними є більшість хімічних процесів, тому технолог повинен шукати такі режими проведення процесу, які б дозволили зробити його максимально ефективним.

Кінетичні закономірності технологічних процесів

Економічна ефективність харчових виробництв значною мірою  залежить від швидкості перебігу технологічних процесів.

Наука, яка вивчає механізм та швидкість зміни характеристик процесу, називається кінетикою.

В її основі лежать закономірності, що обумовлюють швидкість процесів. Кінетичні закономірності необхідно  знати для розрахунку параметрів технологічних процесів і апаратів, в яких відбуваються ці процеси.. Теоретичними та практичними дослідженнями було встановлено основний кінетичний закон –  швидкість процесу прямо пропорційна потенціалу і зворотно пропорційна опору системи, який можна записати у наступному вигляді

                            І = ;    або    І =

Де:   І – швидкість процесу;

         Х –  потенціал системи;

          R – опір системи.

Якщо опір системи замінити зворотною  до неї величиною провідності  – L, тоді рівняння отримає вигляд:

                                                    І =

Маючи дані про потенціал  системи, або його рушійну силу, за допомогою цього загального кінетичного  рівняння можна отримати розрахункові рівняння для будь-якого технологічного процесу.

Потенціал системи – це міра відхилення системи від рівноважного стану, а рушійна сила процесу – це різниця потенціалів у різних станах системи, які визначають через градієнти температури, тиску, концентрації. Провідність системи (L) називають коефіцієнтом швидкості процесу, або кінетичним коефіцієнтом.  Під кінетичним коефіцієнтом  розуміють швидкість процесу, потенціал якого дорівнює одиниці.  Це коефіцієнти теплопередачі, теплопровідності, константи швидкості реакції та ін. Вони є похідними, тобто змінними, і залежать від багатьох факторів  – режимів проведення процесу, властивостей учасників процесу та ін.

Фізико-хімічна  кінетика

В залежності від природи  явищ розрізняють фізичну, фізико-хімічну, хімічну та біологічну кінетику. Оскільки в харчовій промисловості під час переробки або зберігання сировини важко відокремити фізичні і фізико-хімічні процеси, то їх кінетичні закономірності вивчає фізико-хімічна кінетика. Предметом її дослідження є закономірності таких поширених у технології процесів, як подрібнення, розділення, нагрівання, охолодження, дистиляція, кристалізація, перемішування, сушіння тощо. Для багатьох з них кінетичні закономірності відомі як класичні закони фізики.. Наприклад, для цілого класу теплообмінних процесів швидкість переносу теплоти описується  
законом Фур’є, який гласить, що «Кількість тепла, яке переноситься в певному середовищі, прямо пропорційна добутку градієнту температури на тривалість процесу».

                                                Q =

де: Q – кількість теплоти;

       λ  – коефіцієнт  теплопровідності;

      – градієнт температури;

         – тривалість процесу.

Для класу масообмінних (молекулярно-дифузійних) процесів швидкість переносу речовини характеризується законами Фіка, перший з яких описується рівнянням:

G = D

де:   G – кількість речовини;

        D – коефіцієнт дифузії;

       – градієнт концентрації;

         – тривалість процесу.

Подібний математичний вираз мають інші кінетичні закони фізики:

– для фільтраційного переносу речовини – закон Дарсі; для переносу кількості руху – закон Ньютона; для швидкості розвитку деформації твердих тіл – закон Гука; для переносу електричних зарядів – закон Ома та ін. Всі ці закони є проявленням дії загального кінетичного закону. В наведених рівняннях коефіцієнти   λ  і  D є кінетичними коефіцієнтами, що характеризують природу явища і учасників процесу, а добуток градієнтів на тривалість процесу є потенціалом процесу. 

Дані рівняння не можуть бути використані  для технологічних розрахунків тому, що характеризують «миттєвий» стан процесу, тобто в певний момент і в певній точці середовища. Тому, для характеристики процесу в цілому необхідно інтегрувати ці рівняння, задаючи чисельні значення умов однозначності параметрів, які постійно змінюються. Крім того, в технологічних об’єктах під час переробки одночасно відбувається декілька складних процесів, які взаємно впливають один на одного. Наприклад, під час сушіння (плоди, овочі, зерно, м'ясо) в ній мають місце і процеси переносу теплоти і переносу вологи Обидва процеси впливають на процес сушіння і тому їх необхідно враховувати. Теоретично вплив суміжних процесів визначається теоремою Онзагера:  «якщо і-й процес відчуває вплив суміжного процесу k з потенціалом Х_k, то і процес k відчуває вплив процесу  і з потенціалом Х_і». Виходячи з цієї теореми, кінетичні рівняння для обох процесів будуть мати

наступний вигляд:

– для і-го процесу        І_і = 

– для k-го процесу        І_k = 

де: І_і , І_k – швидкість процесів і та k;

      Х_і, Х_k – потенціали процесів і та k;

     L_і, L_k – кінетичні коефіцієнти процесів і та k;

     L_іk, L_kі – кінетичні коефіцієнти взаємного впливу процесів.

Наявність взаємного впливу суміжних процесів ускладнює розрахунки їх параметрів, а тому на практиці їх знаходять  експериментальним шляхом.

Кінетика  біохімічних і мікробіологічних процесів

Біохімічними  вважають ті процеси, які відбуваються за участю ферментів самої харчової сировини або чистих препаратів і їх сумішей.

Мікробіологічними являються процеси, що відбуваються за участю певних культур мікроорганізмів, або їх фрагментів, які містять ферменти. Ці процеси дуже поширені в харчових виробництвах. На їх використанні засновано дуже багато галузей харчопереробного комплексу. Швидкість перебігу цих процесів залежить не тільки від концентрацій вихідної речовини, тобто субстрату, і ферменту, від температури і тиску, але і від стану ферменту, ступеню його чистоти, від рН, впливу активаторів і інгібіторів. Сутність ферментативного каталізу базується на теорії фермент-субстратного проміжного комплексу,  який незворотно розкладається на продукти реакції з вивільненням ферменту за схемою

S + F  FS + P

      S – субстрат;

       F – фермент;

       FS – проміжний комплекс фермент-субстрат;

       P – продукт реакції;

        k₁ – константа швидкості утворення комплексу;

        k₂ – константа швидкості дисоціації комплексу.

Згідно закону діючих мас швидкості  реакцій утворення та дисоціації  
фермент - субстратного комплексу будуть дорівнювати

                             υ₁  = k₁ [S] · [F];          υ₂ = k₂ [FS] ;

У стані рівноваги υ₁  =  υ₂, тоді константа рівноваги буде

k  =    або   k =

де: k – константа рівноваги;

     [FS] = – концентрація фермент-субстратного комплексу;

      [F] = – концентрація вільного ферменту;

       [S] = S – концентрація субстрату.

Концентрація  субстрату завжди є надлишковою  по відношенню до концентрації ферменту, тому можна вважати, що швидкість процесу залежить переважно від концентрації ферменту та його стану. Фермент, як каталізатор, не витрачається в ході процесу, тому його загальна концентрація буде складатися з концентрації вільного ферменту та зв’язаного у фермент -субстратному комплексі ; = +      Звідси  = –   

Тоді рівняння можна записати:

                               k =      а       =

Для швидкості  реакції розпаду фермент - субстратного комплексу на кінцевий продукт можна  написати  υ₃ = k₂ s / (1/k + s). Величина  1/k   є зворотною до константи рівноваги утворення і дисоціації фермент-субстратного комплексу, тобто      –  називається  константою Михаеліса.

Для характеристики перебігу таких реакцій частіше використовують початкову швидкість, тоді рівняння для характеристики швидкості реакції утворення продукту буде мати інший вигляд. Це рівняння називають загальним законом ферментативного каталізу або рівнянням Михаеліса-Ментена

                         υ₀ =

де     υ₀  – початкова швидкість процесу_;

         k₂ – константа швидкості дисоціації фермент-субстратного комплексу;

s₀ – початкова концентрація субстрата;

k_s – константа Михаеліса.

Хімічна кінетика

Предметом хімічної кінетики є суто хімічні процеси: механізм, швидкість та закономірності перебігу хімічних реакцій. Швидкість реакції визначається кількістю молекул речовини, яка вступає у взаємодію за одиницю часу в одиниці об’єму.

Швидкість можна визначити за зменшенням концентрації реагуючих речовин, або за зростанням концентрації продуктів реакції.

У випадку модельної реакції миттєва швидкість у певний момент часу буде визначатись рівняннями

                             υ   =  - ;   або    υ   =  - ;    або    υ   = ;   

де –  - ;  - – перші похідні концентрації вихідних речовин Х і Y 

          – похідна продукту реакції  Z.

Якщо швидкість визначати за витратами вихідних речовин, вона буде  
від’ємною, тому що концентрації зменшуються, а у випадку продукту реакції – позитивна, тому що кількість продукту збільшується.

Механізм і швидкість  хімічних реакцій залежать від багатьох факторів. Для різних типів реакцій існують розрахункові формули для обчислення їх констант швидкості. Всі вони базуються на загальному хімічному законі діючих мас, згідно з яким швидкість реакції прямо пропорційна добутку концентрацій реагуючих речовин

                                                       υ   = kc · c

де   k – константа швидкості реакції

  c , c – концентрації вихідних речовин

  m, n – стехіометричні коефіцієнти.

Щоб визначити середню  швидкість за весь час перебігу реакції, рівняння які характеризують миттєву  швидкість необхідно про інтегрувати. Для цього використовують рівняння

                                               υ   =

де  – повний час проведення процесу

На практиці частіше  за все розраховують початкову і  середню швидкість. Для цього  використовують графічний метод. Для  побудови графіка в координатах «концентрація продукту – час реакції» використовують експериментальні дані. На цьому графіку тангенс кута нахилу дотичної до осі абсцис буде чисельно дорівнювати швидкості реакції в той момент часу, який відповідає точці дотику. Початкова швидкість чисельно дорівнює тангенсу кута нахилу кривої до осі абсцис.

 

 

 

  Початкова швидкість   υ_о = tg α;  миттєва швидкість υ _о = tg β;  
а середня –  υ   = , тобто          υ   =

де    ∆с –   інтервал концентрацій

         ∆ – інтервал часу.

       Технологічні закономірності харчової технології