بخشی از مقاله
چکیده:
در این تحقیق خواص ترموفیزیکی محلولهای حاوی قندهایی نظیر گلوکز، ساکاروز، فروکتوز، مالتوز، مانوز، مالتوتریوز، زایلوز و گالاکتوز که دارای کاربردهای مهمی در صنایع غذایی هستند به کمک یک مدل ترمودینامیکی توسعه یافته بر پایه انرژی آزاد گیبس بررسی شده است.
بر این اساس خواصی نظیر فعالیت آب در محلولهای قندی، حلالیت قند در محلولهای آبی، دانسیته، فشار بخار، ضریب اسمزی و همچنین دمای جوش محلولهای آبی حاوی قند به کمک مدل ترمودینامیکی که توسط پازوکی و همکاران پیشنهاد شده بود در کار حاضر مورد استفاده قرار گرفته است. نتایج بدست آمده از تطبیق و پیشبینی خواص ترموفیزیکی این محلولها نشان داد مدل پیشنهادی دارای دقت مناسبی برای محاسبه خواص ترموفیزیکی محلولهای آبی حاوی قند دارد.
مقدمه:
محلولهای قندی نقش مهمی در صنایع غذایی به عنوان خوراک در فرآیندهای غذایی، تهیه انواع مختلف مواد غذایی، عملیات کریستالیزاسیون و همچنین به عنوان عامل نگه دارنده مواد غذایی دارند. به عنوان مثال میتوان با افزودن قندها فعالیت و pH آب را تنظیم نموده و از رشد میکروارگانیسمهای آلودهکننده جلوگیری نمود. همچنین، فشار اسمزی ایجاد شده توسط محلولهای قندی در غلظتهای بالا، از رشد و تکثیر باکتریها در مواد غذایی جلوگیری میکند. از اینرو جهت طراحی دقیق تجهیزات و مشخصات دقیق فرآِیندهای غذایی، نیازمند اطلاعات دقیق از خواص ترمودینامیکی محلولهای قندی میباشیم. اما به دلیل محدودیت مقادیر تجربی خواص ترمودینامیکی، مهندسین همواره به دنبال روشهایی برای پیشبینی این خواص بودهاند.
تاکنون کارهای مختلفی برای محاسبه خواص ترمودینامیکی محلولهای قندی انجام شده است.[15 ,13-11 ,5 ,3] در این کارها از مدلهای ترمودینامیکی مانند UNIQUAC، UNIFAC، ASOG و اصلاحات آنها و همچنین از معادلات حالتی همچون Peng-Robinson - PR - و Peng-Robinson-Stryjek-Vera - PRSV - برای محاسبات خواص ترمودینامیکی محلولهای آبی قندهای گلوکز، ساکاروز، فروکتوز، مالتوز، مانوز، زایلوز، لاکتوز و مالتوز استفاده شدهاست. از جمله خواص ترمودینامیکی بررسی شده در کارهای پیشین میتوان به فعالیت آب، ضریب اسمزی، دمای جوش، نقطه انجماد، فشار بخار و حلالیت قندها در آب اشاره نمود.
در کار حاضر با استفاده از مدل پیشنهادی توسط پازوکی و همکاران [10] خواص ترمودینامیکی - فعالیت آب، دانسیته، حلالیت قند، ضریب اسمزیک، دمای جوش و فشار بخار - محلولهای حاوی قندهای گلوکز، ساکاروز، فروکتوز، مالتوز، مانوز، مالتوتریوز، زایلوز و گالاکتوز در آب محاسبه شده است.
مدل ترمودینامیکی:
انرژی آزاد گیبس اضافی برای مخلوط ها طبق رابطه زیر میباشد:
که بالانویس ʽFRPEʼ و ʽUHVʼ به ترتیب نشان دهنده بخش ترکیبی و باقیمانده میباشند. R ثابت جهانی گازها و T دما میباشد. در نتیجه ضریب فعالیت برای جزء i به صورت زیر به دست میآید:
برای محاسبه بخش ترکیبی از مدل فلوری- هاگینز استفاده شدهاست. در نتیجه ضریب اکتیویته برای جزء i به صورت زیر به دست میآید:
در رابطه x i - 3 - و i به ترتیب کسر مولی و کسر حجمی جزء i میباشند. کسر حجمی طبق رابطه زیر محاسبه میگردد:
که در آن r پارامتر حجمی مولکول صورت زیر به دست آمده است:
در رابطه فوق z عدد کئوردیناسیون بوده و برابر با 10 میباشد. i و H ij به ترتیب کسر سطحی و ثابت بولتزمن جزء i بوده و به صورت زیر تعریف میگردند:
که در آن qi پارامتر سطحی مولکول i و E ij اثر متقابل انرژی بین دو جزء i و j میباشد. اثرات متقابل انرژی را میتوان به فرم تابعی خطی از دما فرض کرده و به صورت زیر تعریف کرد:
نتایج و بحث:
در کار حاضر با استفاده از مدل پیشنهاد شده توسط پازوکی و همکاران [10] خواص ترمودینامیکی محلولهای قندی محاسبه شدهاست.
پارامترهای اثرات متقابل E Iij ، E ijII ، E Iji و E jiII توسط حداقل سازی تابع هدف زیر به دست آمدهاست:
در این رابطه . aiexpt و . aicalc مقادیر تجربی و محاسبه شده فعالیت آب در محلول و × nتعداد نقاط محاسبه شده میباشند. مقادیر پارامترهای حجمی و سطحی و اثرات متقابل قندهای بررسی شده در جدولٌ×آمده است. همان طور که ملاحظه میگردد میزان خطا برای فعالیت آب بسیار پایین میباشد.
جدول1 پارامترهای اثرات متقابل قندهای مختلف در محلولهای آبی به دست آمده از فعالیت آب
در شکل 1 تغییرات فعالیت آب با میزان گالاکتوز محلول در آن که توسط مدل مورد نظر محاسبه شده، آمده است و نتایج با مقادیر تجربی آن مقایسه شدهاند
