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超高压处理的物理学基础

发表时间:2020-07-31 15:55作者:贾培起


第一部分:

超高压食品加工的理论基础


2·超高压食品加工的物理学基础


超高压(UHP)又称高压加工(HPP),因为它是用流体介质传递压力所以又称作等静水压(HP)。我国一般将100MPa以上的压力称为超高压,以示与100MPa以下的压力相区别。将生物材料(包括食品,下同)放入柔软的的塑料袋里,密封后,将其置于密闭的超高压容器中,然后通过流体介质施加100-1000Mpa的压力,改变生物材料的大分子结构,达到预定效果,例如微生物灭活、蛋白质变性、淀粉糊化、细胞破碎、催化反应、加速提取、诱变育种、生物材料的超高压冷冻无损保藏等等,这项技术称为超高压生物处理技术。


图2-1   超高压生物处理示意图

超高压处理过程中依靠水、油或乙醇等液体介质传递压力,被处理的生物材料和食品一般是液体或含水量足够大的材料,所以应该对流体力学有一些基本的物理概念。


2·1 液体的形态

物质存在的主要形态有固态、液态和气态。固态物质有一定的形状,液态和气态物质的形状随着容器而变化,因此又统称流体物质。

流体和固体的特性不同。从力学分析的意义上看固体既能承受压力,也能承受拉力并抵抗拉伸变形。流体只能承受压力,一般不能承受拉力也不能抵抗拉伸变形。

液体和气体也有区别。气体易于压缩;而液体难于压缩;液体有一定的体积,存在一个自由液面;气体具有膨胀的特性,能充满任意形状的容器,无一定的体积,不存在自由液面。液体和气体的共同点是都具有易流动性,即在任何微小切应力作用下都会发生变形或流动。正是因为液体易于流动,所以能够形成等静压,对食品和生物材料进行均匀地施压处理。


2·2理想流体

理想流体是指既无粘性(ρ=0)又完全不可压缩(μ=const) 流体,在运动时也不能抵抗剪切变形,其质点连续地充满所占据的空间。为了便于分析和建立力学方程,在研究时一般都把液体视为理想流体,排除了分子运动的复杂性,其物理量作为时空连续函数,并利用连续函数这一数学工具来研究问题。特别是对于压力变化较小的系统,多当作理想流体处理。

但是实际流体是有粘度的,在运动时具有抵抗剪切变形的能力,即存在摩擦力,其粘度ρ≠0。在超高压条件下液体的可压缩性非常显著,无论是在超高压设备的设计,还是超高压加工时的工艺设计都是不能忽视的问题,例如在室温条件下,600MPa时,水的压缩率可达14-15%。


2·3   帕斯卡(Pascal,Blaise)定律

帕斯卡对等静压工作原理做了如下论述,静止的理想流体,它的压力传递具有以下三个基本性质:

·液体压力总是垂直于任何受作用的表面。

·液体中各点的压力在所有的方向上都相等。

·在密闭的容器中,加在静液体的一部分上的压力,以相等的强度传给流体的所有其它部分。

超高压处理生物材料基本遵循这样的原理,在施压的过程中,液体介质的压力被认为是均等的,被处理的生物材料的各个部位受力被认为近似均等。


2·4、压缩性

1)压缩性(compressibility)

作用在流体上的压力变化可引起流体的体积变化或密度变化,这一现象称为流体的可压缩性。液体的可压缩性是能够实现超高压生物处理的一个很重要的因素,也正是它具有压缩性,所以水分子与生物大分子之间产生相互作用,导致蛋白质变性或淀粉糊化,它直接影响超高压生物处理的效果。

2)体积压缩率(coefficient of
volume compressibility)

压缩性可用体积压缩率来量度。体积压缩率就是流体体积的相对缩小值与压强增值之比,即当压强增大一个单位值时,流体体积的相对减小值:

                  (2-1)

因为质量m不变,dm =d(V )=dV +V d=0,


 

式中:ρ—密度

V—体积

3)体积模量(bulk modulus of elasticity)

流体的压缩性在工程上往往用体积模量来表示,体积模量是体积压缩率k的倒数。

                (2-2)

K与k随温度和压强而变化,但变化甚微。p为压力。

说明:

a. K越大,越不易被压缩,当K→∞时,表示该流体绝对不可压缩

b.流体的种类不同,其k和K值不同。

    c.同一种流体的k和K值随温度、压强的变化而变化。

    d.在一定温度和中等压强下,水的体积模量变化不大。

一般工程设计中,水的K=2×109Pa ,说明Δp =1个大气压时,。Δp不大的条件下,水的压缩性可忽略,相应的水的密度可视为常数。


2·5   生物材料的压缩温升

通过对流体的研究能最好地阐述压力对生物材料压缩的影响。水和乙烷是分别代表了两个不同的极性材料和非极性材料的典型实例。水的压缩性被认为小于大部分有机液体。水的容积在300MPa时约减少10%,600MPa 时约减少15%。乙烷的容积在300MPa 时约减少20%,600MPa 时约减少25%。

假如在绝热条件下进行压缩,如下的方程给出增加压力时温度的增量:

            (2-3)

在方程中,α是热膨胀系数,ρ是粘度,Cp是系统的热容量。利用这一方程,水在25℃时温度增加2K/100MPa。乙烷在18℃时温度增加40K/100MPa。很显然,当压力降低时,温度以相同的数量级降低。在高温时,绝热压缩将会大幅提高其温度。

实验证明,不同的介质和高含水量的材料,受压力影响温升的幅度不同。表2-1是不同材料每升高100MPa温度升高的数据。

2-1——不同物质由于绝热压缩所引起的温度变化情况

不同材料在25oC

每100MPa产生的温度变化 oC

约为3.0

马铃薯泥

约为3.0

橙汁

约为3.0

番茄色拉

约为3.0

含脂量为2%的牛奶

约为3.0

鲑鱼

约为3.2

鸡肉

约为4.5

水/乙二醇(50/50)

4.8-3.7以下

牛肉

约为6.3

橄榄油

8.7-6.3以下

酱油

9.1-6.2以下


2·6粘度

粘度也是影响超高压生物处理工艺参数的一个重要因素。

粘性是在运动的状态下,流体所产生的抵抗剪切变形的性质。粘性大小由粘度来量度。流体的粘度是由流动流体的内聚力和分子的动量交换所引起的。

影响粘度的因素很多, 流体粘度m的数值随流体种类不同而不同,并随压强、温度变化而变化。一般相同条件下,液体的粘度大于气体的粘度。对常见的流体,如水、气体等,m值随压强的变化不大,一般可忽略不计。温度是影响粘度的主要因素。当温度升高时,液体的粘度减小,气体的粘度增加。

液体的内聚力是产生粘度的主要因素,当温度升高,分子间距离增大,吸引力减小,因而使剪切变形速度所产生的切应力减小,所以m值减小。当压力提高时,液体的粘度会有所提高,例如纯水的压力提高到大约600MPa时,对粘度有一定的影响。而在同一压力区,乙烷的粘度会增加10倍。

气体分子间距离大,内聚力很小,所以粘度主要是由气体分子运动动量交换的结果所引起的。温度升高,分子运动加快,动量交换频繁,所以m值增加。


2·7 .牛顿内摩擦定律

牛顿内摩擦定律表明,液体运动时,相邻液层间所产生的切应力与剪切变形的速率成正比。即

                     (2-4)

τ—粘性切应力,是单位面积上的内摩擦力。

du—流层速度差

dy—流层的间距

—剪切变形的角度

dt—剪切变形的时间

流体的切应力与剪切变形速率du/dy,或角变形率dθ/dt成正比。流体区别于固体的重要特性:固体的切应力与角变形的大小成正比。流体的切应力与动力粘度μ成正比。对于平衡流体du/dy =0,对于理想流体t=0,所以均不产生切应力,即τ=0。


2·8   牛顿流体、非牛顿流体

牛顿流体(newtonian fluids)是指任一点上的剪应力都同剪切变形速率呈线性函数关系的流体,即遵循牛顿内摩擦定律的流体称为牛顿流体。不符合上述条件的均称为非牛顿流体。式2-5是判断流体类型的数学模型,满足不同的条件则呈现不同的特性。图2-2是不同流体的特性曲线示意图,表2-2给出了判定不同流体的特征参数和实例。

                    (2-5)                         



图2-2流体的类型及特性曲线示意图

2·9   超高压条件下水的特性

水在超高压条件下的各种物理现象是超高压技术工作者必须了解的知识。不仅超高压最常用的介质是水或水溶液,而且被处理的生物材料本身都含有大量的水分。

压缩性

首先应该了解,水在超高压条件下是可以压缩的。图2-3是各种不同温度下,0-800MPa压力对水的体积的影响。在20℃,压力升到800MPa时压缩体积可达17%。

压缩功

 水在压缩过程中需要克服分子间的摩擦力而做功,这些功以压缩能的形式储存在被压缩的水中,一旦外力

    表2-2   流体的分类及其判定条件

撤销,被压缩形成的内能会瞬间释放出来,这不仅会对被处理的生物材料产生影响,而且会对设备系统产生冲击,损坏机件或系统。图2-4是每公斤水在20℃时,施加800MPa的力所做的功,约为55kJ/kg。


图2-3   水的体积变化与压力的关系


图2-4 压缩需要作的功

压致升温

在加压过程中,随着压力的升高,介质被压缩,将会使温度升高,一般认为在绝热条件下,对20 ℃的水每施加100MPa会提高3℃,增加到800 MPa,温度会升高21-22oC。随着水的初始温度的提高,其温度受压力的影响就越大。当水的初始温度为80℃时,若压力升到800 MPa,温度能提高约35℃。图2-5是压力对介质温升的影响。但是,卸压后介质的压力会瞬间降低,理论上回到初始温度。但是由于实际上设备的导热和散热作用,温度恢复将会有一定的误差。


图2-5压力对水介质温度的影响

例如在环境条件为0 ℃的水中加压到600MPa,卸压后被加工材料表面会出现一层薄薄的冰壳。这是因为加压时介质温升,通过容器的金属将热量散发一部分,卸压的一瞬间热量来不及传导补充,故产生上述现象。


压力对pH值和粘度的影响

在超高压压力作用下,不仅流体密度提高,而且pH值也发生变化(见图2-6),水的粘度也会发生变化,但是这些变化是可逆的,一旦压力消失pH值和粘度即恢复原状。水果果汁通常是酸性的,在500MPa处理pH值会发生向偏酸的方向改变一个单位。


图2-6 压力对pH值的影响

高压下的水-冰相图

水在超高压条件下固-液相的转变呈现一种非常重要的特性,它是超高压冷冻技术依据的基本原理。


图2-7 水的固液相线图


图2-7表示了随着温度和压力的改变,水和冰的状态变化图。

我们常见的冰是常压下I区的冰;它是唯一比水轻的冰:在Ⅰ区形成的冰结晶为一个水分子周围有4个水分子存在,形成四面体结构,是分子间间隙较大的结晶,密度较低约为0.92g/cm3,它能漂浮漂浮在水上。水和冰I的溶解曲线是随着压力的上升而下降。即在约207MPa以内随着压力的增大、水的结冻温度下降。即在200MPa作用下,水的冰点为-22℃,即在-22℃以上仍不结冰。利用这一特性,可进行生物材料的低温不冻结保藏和冻结食品的解冻。

而其它区在高压下形成冰的密度较大,结晶构造也复杂,Ⅱ区的密度为1.14 g/cm3,Ⅲ区的密度为1.23g/cm3,Ⅴ区的密度约为1.31g/cm3,Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ区冰的密度之所以大,是因为氢键结合的长度与结合角有的增大、有的减少、并产生扭曲变形,所以Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ区是扭曲变形的冰晶体。冰Ⅵ是形成晶体间的间隙减小的双键结构。冰Ⅳ是形成晶体间的间隙被挤小,但还没有结合的一种结构。冰Ⅶ、Ⅷ区的密度最大(1.50g/cm3)。

从图2-7可以看出在625MPa 的压力条件下,水在1.6 oC 即可结冰。2200 MPa以上,水在82℃仍能结冰,形成一种热冰。所以,在选择超高压介质时,特别是超过670MPa以上的压力时,因为水容易结冰,故应该选择冰点较低的介质,避免操作过程产生高压冰,影响超高压处理工艺的操作。




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