Нанотехнологии в перерабатывающей и пищевой промышленности

В. А. Авроров






НАНОТЕХНОЛОГИИ В ПЕРЕРАБАТЫВАЮЩЕЙ И ПИЩЕВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Учебное пособие









Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 338.436.33:66.063.6:66-965
ББК 36.81

     А21





Рецензенты:
доктор биологических наук, профессор кафедры биотехнологий и техносферной безопасности Пензенского государственного технологического университета
Ефремова С. Ю.;
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой биомедицинской инженерии Пензенского государственного технологического университета
Чулков В. А.




     Авроров, В. А.
А21 Нанотехнологии в перерабатывающей и пищевой промышленности : учебное пособие / В. А. Авроров. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 188 с. : ил., табл.

           ISBN 978-5-9729-1265-0


          Приведены краткие сведения по истории нанонауки, направления исследований и результаты разработок с использованием нанотехнологий в перерабатывающих и пищевых отраслях промышленности. Рассмотрены физико-механические свойства жидких неоднородных дисперсных сред и определены условия для улучшения структуры исходных эмульсий и суспензий, обеспечивающих их большую однородность и стабильность. Приведено описание новой конструкции многоканального высокоскоростного роторного диспергатора для ультратонкого диспергирования эмульсий и суспензий.
          Для студентов вузов при изучении дисциплин «Процессы и аппараты пищевых производств», «Технологические машины и оборудование», «Технология пищевого машиностроения», «Продукты питания из растительного сырья». Может быть полезно для специалистов предприятий, занимающихся созданием новых видов продуктов питания.


                                                                  УДК 338.436.33:66.063.6:66-965
                                                                  ББК 36.81










ISBN 978-5-9729-1265-0

            © Авроров В. А., 2023
            © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                                   © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

    ОГЛАВЛЕНИЕ


Предисловие.................................................................5

Часть I. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ НАНОТЕХНОЛОГИИ....................................9

Тема 1. Основные понятия, термины и определения в области нанотехнологий и наноматериалов...........................................................10
  1.1. История становления и развития нанонауки............................10
  1.2. Термины и определения в области нанотехнологий и наноматериалов.....14
Тема 2. Нанотехнологии и наноматериалы: классификация, виды, способы получения..........................................................18
  2.1. Классификация нанотехнологий........................................18
  2.2. Виды и характеристика наноматериалов................................22
  2.3. Способы получения наноматериалов....................................25
  2.4. Нанометрия: приборы и инструменты...................................27
Тема 3. Приоритетные направления исследований по нанотехнологиям в АПК.....31
  3.1. Основные направления, цели и задачи нанотехнологий в сфере АПК......31
  3.2. Направления исследований в области переработки и хранения сельхозпродукции.........................................................33
  3.3. Направления исследований в пищевых отраслях АПК.....................34
  3.4. Направления исследований в области охраны окружающей среды..........34
  3.5. Направления исследований в машиностроительной отрасли АПК...........36
Тема 4. Использование бионанотехнологий в агроинженерии....................37
  4.1. Направления развития биотехнологий..................................37
  4.2. Бионанотехнологии в производстве продукции растениеводства..........39
  4.3. Бионанотехнологии в производстве продукции животноводства...........42
Тема 5. Направления использования нанотехнологий в пищевой промышленности..45
  5.1. Задачи, направления и результаты использования нанотехнологий в пищевых производствах............................................................45
Тема 6. Использование нанотехнологий в машиностроении......................50
  6.1. Применение нанотехнологий и наноматериалов при восстановлении деталей оборудования.............................................................50
  6.2. Виды обработок деталей машин при изготовлении и ремонте.............55
  6.3  Выбор антифрикционных обработок контактирующих элементов, работающих в условиях сухого трения......................................62

3

Часть II. ТЕХНОЛОГИЯ ОБРАБОТКИ НЕОДНОРОДНЫХ ЖИДКИХ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ ДО УРОВНЯ МИКРО- И НАНОСТРУКТУР..........................75
Тема 7. Анализ свойств жидких неоднородных дисперсионных систем............76
  7.1. Основные характеристики эмульсий и суспензий........................76
  7.2. Анализ реологических свойств неоднородных систем....................79
Тема 8. Основные направления обработки жидких дисперсных систем............86
  8.1. Способы получения эмульсий и суспензий с заданными свойствами.......86
  8.2. Основные закономерности процесса механического перемешивания........89
  8.3. Анализ условий эмульгирования при получении эмульсий................99
  8.4. Процессы разделения неоднородных дисперсных систем на фракции......102
  8.5. Анализ процессов распыления жидких сред..............................113
  8.6. Анализ способов улучшения качественных показателей неоднородных дисперсных систем.........................................................126
Тема 9. Моделирование процесса высокоскоростного многоканального роторного диспергирования эмульсий и суспензий......................................132
  9.1. Конструктивно-технологическая схема многоканального роторного диспергатора............................................................132
  9.2. Моделирование условий истечения жидкости через отверстия ротора....133
  9.3. Моделирование движения жидкости в зазоре между ротором и статором....138
  9.4. Моделирование движения струек жидкости в отверстиях ротора и статора.142
  9.5. Модель разрушения частиц дисперсной фазы суспензий в роторном диспергаторе............................................................152
  9.6. Модель разрушения частиц дисперсной фазы эмульсий в роторном диспергаторе............................................................158
  9.7. Оценка величины напряжений в роторе диспергатора при его вращении..162
Тема 10. Возможности расширения областей использования роторного диспергатора..............................................................173
  10.1. Вспенивание жидких сред в роторном диспергаторе...................173
  10.2. Компоновка многоместной установки для диспергирования эмульсий и суспензий.............................................................175
  10.3. Разработка схемы линии по обработке жидких сред и их распределению по емкостям.............................................................176

Список использованных источников..........................................180

    ПРЕДИСЛОВИЕ


                                      Нанотехнологии произведут такую же революцию в манипулировании материей, какую произвели компьютеры в манипулировании информацией
                                                    Р. Меркле, профессор, Технический колледж, Джорджия, США


    Постановлением Правительства РФ в 2007 г. утверждена федеральная целевая программа по развитию инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации.
    Основными областями применения нанотехнологий в перерабатывающих и пищевых отраслях АПК являются биотехнологии, производство и переработка различной продукции сельского хозяйства, сельскохозяйственное и пищевое машиностроение и др.
    В соответствии с поручением Министерства образования и науки РФ с 2004 г. в ряде вузов начата подготовка специалистов по нанотехнологиям, направленная на овладение знаниями и навыками исследования, моделирования, разработки и применения наноматериалов в отраслях промышленности.
    В химической, пищевой, текстильной, парфюмерной, медицинской, строительной и других отраслях находят широкое применение различные неоднородные (гетерогенные) жидкие и жидкогазовые среды. Эти среды содержат две составляющие, одна из которых внешняя, сплошная, является дисперсионной средой, вторая внутренняя, дискретная, является дисперсной фазой.
    В зависимости от агрегатного состояния различают системы, содержащие:
      • жидкую дисперсную фазу и дисперсионную среду («жидкость — жидкость»), представляющие собой класс эмульсий.
        Примерами эмульсий являются: в пищевой промышленности - молочные продукты; в химической промышленности - многокомпонентные масла и др.; в косметической - лосьоны и пр.; в строительной индустрии - опалубочные эмульсии; в текстильной - шлихта для обработки основы в ткацком производстве ит. д.;
      • твердую дисперсную фазу и жидкую дисперсионную среду («твердые частицы — жидкость»). Такие среды относятся к классу суспензий. Примерами суспензий служат соки с мякотью, фруктовые и овощные пасты, полимеры с наполнителями, промывочные жидкости, бурильные растворы, угольные суспензии, краски и др.


5

        Суспензии классифицируют по размерам частиц дисперсной фазы. Если размеры частиц больше 100 мкм, то такие суспензии относят к грубым; к тонким - 0,5.. .100 мкм, к супертонким (так называемым мутям) - 0,1...0,5 мкм, к коллоидным - менее 100 нм;
      • жидкая дисперсная фаза и газообразная дисперсионная среда (жидкие частицы — газ). Такие среды относятся к жидкокапельным аэрозолям.
        Примерами жидкокапельных аэрозолей в естественных условиях являются туманы, представляющие собой взвесь капелек влаги (дисперсная фаза) в воздухе (дисперсионная среда). Такие системы могут образовываться и в производстве, например, при интенсивном выпаривании растворов в выпарных аппаратах.
    Если дисперсная фаза представляет собой твердые частицы, то неоднородная среда относится к типу «твердые частицы - газ». Эти среды относятся также к аэрозолям.
    Примером таких аэрозолей является пыль, витаемая в воздухе и образуемая при механической обработке различного вида твердых материалов: мучная пыль на мукомольных заводах, пыль при дроблении угля, пыль при просеивании частиц и т. п.
    Одной из важных задач, имеющей большое практическое значение, является создание диспергирующих устройств для получения и обработки неоднородных дисперсных систем, обеспечивающих высокую степень дисперсности и однородности частиц дисперсной фазы и стабильность свойств систем в целом.
    Цель данного учебного пособия состоит в начальном ознакомлении обучающихся с основами нанотехнологии и с некоторыми результатами ее практического применения в сфере пищевых и перерабатывающих отраслей АПК.
    В пособии рассмотрены вопросы формирования наноструктур, их свойства, особенности и возможности применения в оборудовании и технологических процессах.
    Пособие состоит из двух частей. В первой части приводятся основные понятия и направления исследований по нанотехнологиям в сфере агро- и пищевой индустрии. Вторая часть посвящена рассмотрению способов обработки жидких неоднородных систем, обеспечивающих высокую степень дисперсности частиц дисперсной фазы на уровне микро и в отдельных случаях, в зависимости от способа, устройства и режимов диспергирования, наноструктур.
    Первая, тема пособия посвящена основным понятиям, определениям и терминам по нанотехнологиям и наноматериалам. Рассмотрены этапы становления и развития нанонауки, ее основные результаты.
    Вторая тема касается описания характеристик и видов наноматериалов и способов их получения. Приведены сведения о приборном оснащении для измерения и манипулирования с наночастицами.

6

    В третьей теме рассматриваются основные направления исследований, цели и задачи использования нанотехнологий в области переработки сельхозпродукции, производства продуктов питания, охраны окружающей среды, в машиностроении.
    В четвертой теме приводятся сведения по бионанотехнологиям в производстве продукции сельского хозяйства.
    Пятая, тема посвящена изложению задач, направлений исследования и некоторых результатов, полученных при использовании нанотехнологий в пищевых производствах.
    В шестой теме рассматриваются вопросы применения нанотехнологий и наноматериалов в машиностроении. Приведены результаты работ по технологии восстановления деталей оборудования, методике выбора рациональных антифрикционных обработок контактирующих элементов, работающих в условиях сухого трения.
    В седьмой теме пособия дан анализ свойств жидких неоднородных дисперсных систем (суспензий и эмульсий) и рассмотрены реологические показатели этих систем.
    Восьмая тема посвящена, описанию закономерностей процесса перемешивания компонентов жидких сред при приготовлении суспензий и эмульсий, рассмотрению условий эмульгирования, разделения на фракции и распыления жидких сред, а также анализу способов улучшения качественных показателей суспензий и эмульсий.
    В девятой теме приведены результаты моделирования предложенного способа многоканального сверхвысокоскоростного роторного диспергирования жидких сред.
    В десятой теме рассмотрены возможности расширения областей использования разработанного многоканального роторного диспергатора.
    Данное учебное пособие направлено на повышение уровня компетенций студентов при решении задач по моделированию и проектированию технологических процессов производства продукции, управлению качеством, методам разработки новых видов продуктов и технических решений, в том числе с использованием нанотехнологий.
    В результате изучения и усвоения тем учебного пособия студенты будут:
      • знать:
        о сущность, назначение, область применения и движущие силы инженерных процессов по получению наноматериалов и их использованию в перерабатывающих и пищевых отраслях промышленности;
        о методы моделирования и проектирования технологических процессов получения продукции с новыми структурно-механическими свойствами;

7

      •  уметь:
        о формулировать задачи и разрабатывать меры по созданию новых структурированных продуктов питания;
      •  владеть:
        о методами создания новых и совершенствования существующих процессов и технических объектов.

Часть I

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Тема 1. Основные понятия, термины и определения в области нанотехнологий и наноматериалов

    1.1. История становления и развития нанонауки
    1.2. Термины и определения в области нанотехнологий и наноматериалов Контрольные вопросы


1.1. История становления и развития нанонауки

    Наноматериалы использовались людьми с давних времен. Например, рубиновый цвет стекла для витражей получали в средние века введением наночастиц золота в стеклянную матрицу; глазурь гончарной посуды содержала наночастицы, придающие ей специфические оптические свойства; краска для волос, получаемая в Древней Греции, также содержала наночастицы, обеспечивающие длительный и стойкий окрашивающий эффект.
    Первым, кто использовал измерения в нанометрах (1 нм = 10 ⁹ м) был Альберт Эйнштейн, который в 1905 г. показал, что размер молекулы сахара равен одному нанометру.
    Идею создания специальных приборов, способных проникать в глубину материи до границ наномира выдвинул Н. Тесла и предсказал создание электронного микроскопа.
    В 20-е годы XX века русский ученый Г. Гамов, работавший в США, впервые решил уравнения Шредингера, описывающие возможность преодоления частицей потенциального барьера при условии, когда ее энергия меньше высоты барьера. Он установил, что квантовые частицы и электроны способны проникать через преграду даже в тех случаях, когда их энергия ниже потенциального барьера данной преграды. Электрон, встретив на пути преграду, не отражается от нее, а с потерей части энергии преодолевает ее как волна. Это явление «туннельного эффекта», было применено в дальнейшем для описания процессов в ядерной и атомной физике.
    В 1932 г. голландским профессором Ф. Цернике был открыт метод фазового контраста и создан первый фазово-контрастный микроскоп, улучшающий качество изображения. мельчайших деталей. С его помощью ученый исследовал живые клетки без применения красителей.
    В 1939 г. немецкими физиками Э. Руска и М. Кнолем был создан электронный микроскоп, ставший прообразом приборов, позволивших заглянуть в мир нанообъектов.


10

    В 1956 г. Дж. О’Кифи (США) была предложена конструкция микроскопа, в которой свет должен выходить из крошечного отверстия и освещать изучаемый объект. Свет, прошедший через объект и отраженный от него регистрировался в результате возвратно-поступательного движения образца. Этот метод исследования назван изобретателем методом растровой микроскопии ближнего поля.
    Бурное развитие электроники в 50-х годах XX века привело к открытию туннельного диода.
    В 1956 г. советскими учеными Д. Н. Гаркуновым и проф. И. В. Крагель-ским было открыто явление избирательного переноса мельчайших частиц в парах трения, т. н. эффект безызносности. Было установлено, что особенностью процесса является образование сервовитной пленки толщиной около 100 нм в месте контакта деталей, резко снижающей величину износа.
    Революционная идея о том, что в будущем будет возможным создавать устройства и другие объекты, собирая их молекула за молекулой, атом за атомом, была высказана крупнейшим физиком XX века Ричардом Фейнманом в 1959 г. Фейнман говорил, что, научившись манипулировать отдельными атомами, человечество сможет синтезировать все, что угодно.
    В 1964 г., спустя шесть лет после изобретения интегральной схемы, Г. Мур, один из основателей корпорации Intel, выдвинул предположение, что число транзисторов на кристалле будет удваиваться через каждые два года (первый закон Мура) с возрастанием емкости примерно в два раза.
    Американским физиком Р. Янгом в 1966 г. предложено пьезоэлектрическое управляющее устройство, применяемое сегодня в сканирующих туннельных микроскопах и для позиционирования наноинструментов при поиске нужных объектов на исследуемой поверхности. В 1971 г. этот же ученый предложил идею зондового микроскопа, а в 1972 г. он сумел осуществить позиционирование объектов в трех направлениях с точностью до 0,01 ангстрема (1 нм = 10 А), применив перемещающее устройство на базе пьезоэлектриков. В это же время Д. Джонсом были теоретически сконструированы замкнутые сфероидальные клетки из свернутых нанографических слоев, а физиком Е. Осавой предположено существование полой высоко симметричной молекулы Сб₀ со структурой в виде усеченного икосаэдра, похожей на футбольный мяч, получившей название фуллерен. Впервые способ искусственного получения и выделения твердого кристаллического фуллерена был предложен в 1990 г. В. Кречмером и Д. Хофманом (Германия).
    В 1968 г. А. Чо и Д. Артуром теоретически обоснована возможность использования нанотехнологий в решении задач обработки поверхностей и достижения атомной точности при создании электронных приборов.
    В 1973 г. советскими учеными Д. А. Бочваром и Е. Г. Гальпериным были выполнены первые теоретические квантово-химические расчеты наномолекулы фуллерена и доказана ее стабильность.

11

    Современный вид идеи нанотехнологии начали приобретать в 80-е годы XX века в результате исследований К. Э. Дрекслера, выдвинувшего концепцию универсальных молекулярных роботов, работающих по заданной программе и собирающих любые объекты из подручных молекул.
    Японским физиком Н. Танигучи в 1974 г. впервые был предложен термин «Нанотехнология.», как технология объектов, размеры которых порядка 10 9 м, включающая в себя процесс разделения, сборки и изменения материалов путем воздействия на них одним атомом или одной молекулой. Термин «Нанотехнология» стал популярен в 1986 г. после выхода в свет книги К. Э. Дрекслера «Машины творения: наступающая эра нанотехнологий».
    Для обозначения совокупности методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие в себя компоненты размерами менее 100 нм хотя бы в одном измерении, Дрекслер предложил термин «Молекулярная нанотехнология». В настоящее время понятие «нанотехнология» включает в себя не только совокупность методов и способов синтеза, сборки, структурообразования и модифицирования материалов, направленных на создание материалов и систем с новыми свойствами, но и систему знаний, умений и навыков, аппаратурное, материаловедческое и информационное обеспечение технологических процессов.
    В своей следующей книге «Наносистемы» (1992 г.) К. Э. Дрекслер рассмотрел задачи практического применения молекулярных нанотехнологий. Эти и другие исследования дали толчок началу применения нанотехнологических методов в промышленности.
    В 1975 г. немецкими учеными В. Батхлоттом и К. Найнюсом было обнаружено и запатентовано явление самоочистки поверхностей некоторых растений (Лотос-эффект), а также тот факт, что этот феномен протекает в нано-структурированной поверхностной области.
    В 1981 г. в Цюрихе (Швейцария) был испытан растровый туннельный микроскоп, позволивший построить трехмерную картину расположения атомов на поверхности проводящих материалов. При движении острия иглы микроскопа над поверхностью кристалла он смог измерить неровности высотой в один атом. С помощью этого микроскопа появилась возможность перемещать отдельные атомы в нужное место и собирать из них любой предмет, любое вещество. Современные сканирующие микроскопы позволяют различать по вертикали размер около 0,01 нм, по горизонтали около 0,2 нм. К 1986 г. в мире работало уже не менее 40 сканирующих туннельных микроскопов.
    В 1985 г. коллектив ученых Г. В. Крото, Р. Ф. Керл, С. К. О’Брайен получили новый класс фуллеренов и изучили их свойства. В результате взрыва графитовой мишени лазерным пучком и исследования спектра паров графита была обнаружена молекула фуллерена Сео, грани которой содержат 20 правильных шестиугольников и 12 пятиугольников. В 1992 г. были обнаружены природные фуллерены.

12