設備
采集數據的關鍵是在線取樣設備和粘度測量設備，這里選用Rheomat 180粘度儀來連續獲得多個粘度值。為了確保在線酸奶取樣數據的準確性和有效性，特制作了恒壓取樣器，其作用就是保證在線取樣時，酸奶不會受到外力作用，造成取樣的酸奶在取樣過程中受到剪切作用，而產生粘度損失，進而影響數據采集的真實性和有效性。
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嘉峪檢測網 2018-08-23 14:32
通過工藝設計優化、生產過程參數調整等措施，最大限度降低初態粘度和平穩粘度間的差異已經成為酸奶加工工藝關鍵課題之一。本文通過對酸奶這種非牛頓流體的粘度研究，分析采集到的數據，獲得其流體特性介質參數，根據該流體特性介質參數優化酸奶生產工藝，進而提出降低初態粘度和平穩粘度間差異的改進方案。
攪拌型酸奶作為一種發酵乳制品，在完成破乳停止發酵后，變成一種具有一定粘稠度的液體，其粘度值隨著溫度、時間和剪切率的改變而改變，這種物質在流變學中被定義為非牛頓流體。
流變學中指出不滿足牛頓黏性實驗定律的流體，被定義為非牛頓流體，其剪應力與剪切應變率之間不是線性關系。非牛頓流體廣泛存在于生活、生產和大自然中，食品工業中的酸奶就是一種典型的非牛頓流體。非牛頓流體的粘度，在特定溫度下，除了依賴于剪切速率外，它還依時間而變化。此時，粘度不僅是剪切值大小的函數，而且也是剪切作用時間長短的函數，因此酸奶粘度在特定溫度下是剪切率和時間兩個變量的函數，即：
非牛頓流體的初態粘度μ、穩態粘度η、粘度損失率λ，以及剪切率γ 存在以下關系：
其中，Q為流量；D為管道直徑。
通過在線粘度數據采集，利用不同剪切率下的初態粘度曲線、粘度損失率曲線和穩態粘度曲線，來確定上述非牛頓流體的介質參數，并在設計改進方案時利用這些介質參數進行模擬建模，進而確定適合該流體酸奶的最佳生產工藝參數，為降低初態粘度和平穩粘度間的差異提供客觀數據依據。
設備與方法
設備
采集數據的關鍵是在線取樣設備和粘度測量設備，這里選用Rheomat 180粘度儀來連續獲得多個粘度值。為了確保在線酸奶取樣數據的準確性和有效性，特制作了恒壓取樣器，其作用就是保證在線取樣時，酸奶不會受到外力作用，造成取樣的酸奶在取樣過程中受到剪切作用，而產生粘度損失，進而影響數據采集的真實性和有效性。
數據采集前將清洗消毒過的恒壓取樣器安裝在產品管路中，如圖1所示，然后連接上無菌空氣，確保在采用過程中，產品管道的壓力與取樣器內的壓力基本一致。當酸奶在產品管道內，輸送過程中，進行恒壓取樣酸奶，用于粘度值的連續數據采集樣本。
圖1 初態黏度曲線
方法
非牛頓流體的粘度值隨著溫度、時間和剪切率的改變而改變。在不同溫度下測得的酸奶粘度損失包含了溫度本身對其粘度變化的影響，因此為了得到酸奶粘度對時間和剪切率這兩個變量的函數，在整個數據采集過程中，需要統一在一個特定溫度下，在同一溫度下的兩個酸奶粘度值進行比較得出的粘度損失，才能用于非牛頓流體中的不同曲線方程。
本次酸奶研究進行數據采集的樣本是來源于一款原味酸奶。在這款原味酸奶的生產過程中進行在線取得樣品后，使用Rheomat 180連續獲得多個粘度值。在20?℃的條件下對樣品測五次粘度，剪切率分別為15s-1、30s-1、64s-1、125s-1、250s-1，時間為1min，取樣點根據實際情況而定，此次取樣點為18個。以這些數據為數據源建立相應的曲線，可以得到相應的曲線方程。根據不同的曲線方程，我們可以得到原味酸奶產品的介質參數。見表1：
表1 酸奶產品介質參數
根據不同剪切率下的初態粘度曲線（X軸：剪切率；Y軸：初態粘度），我們可以得到兩個介質參數值：
同樣，根據不同剪切率下的粘度損失率曲線和穩態粘度曲線，我們可以得到其余4個介質參數值：
因此，此次取樣的原味酸奶存在以下流體特性：
初態粘度：μ=21.452γ -0.6675
粘度損失率：λ=0.0116γ -0.2148
穩態粘度：η=25.854γ -0.8517
結果與分析
根據上述產品特性，我們可以模擬該原味酸奶在不同管徑管道和不同長短時間下的粘度損失情況。如表2所示，該原味酸奶的粘度特性對時間較為敏感，時間越長損失越大，對于該產品在現有工藝改進上或是新廠建設方面，就需要考慮其時間因素，輸送時間的縮短，可以大大減少其生產過程中的粘度損失。
表2 酸奶黏度特征表
根據非牛頓流體的介質特性參數，在進行改進工藝的設計時可以模擬該產品在管道中的粘度損失，從而選擇適合產品本身介質特性參數的改進方案。同樣，在新工廠建設初期，針對產品特性參數，通過模擬粘度損失率、管徑以及產品在管道中的輸送時間，進而選擇出合適的工藝參數，可以減少產品在生產過程中的粘度損失。例如原味酸奶在測得初態粘度的基礎上，根據初態粘度曲線，確定管道中原味酸奶產品的剪切率，通過不同管徑和產品輸送速率和時間的對比，確定較優的生產工藝設計參數。
在數據采集和分析過程中，發現不同產品的介質特性參數存在較大的差異，這也要求工程設計人員，在改進生產工藝和新廠建設時，需要將相同特性參數的產品安排在一個車間區域內進行生產，而將特性介質參數差異較大的這些產品分到不同的生產加工區域里。
來源：AnyTesting
