ربط قياسات بروكفيلد بـ Rheonics SRV في إنتاج المايونيز

المايونيز عبارة عن مستحلب زيت في الماء، وتعتمد خصائصه من حيث الملمس والاستقرار وسهولة التصنيع على خواصه الريولوجية. وتعتمد خصائص مثل سهولة الاستخدام بالملعقة، وسهولة الدهن، ومقاومة انفصال الزيت، وسهولة الضخ على اللزوجة وإجهاد الخضوع، والتي يتم التحكم فيها من خلال متغيرات التركيبة مثل محتوى الزيت وصفار البيض وتركيز الحمض.

نظرًا لأن اللزوجة تُحدد جودة المنتج، يقيسها المنتجون بشكل روتيني أثناء الإنتاج باستخدام مقياس لزوجة دوراني مخبري. تتطلب هذه الطريقة، التي تُجرى خارج خط الإنتاج، أخذ عينات يدويًا، وتعكس حالة المنتج في وقت أخذ العينة فقط، كما أنها تفتقر إلى إمكانية التكرار اللازمة للتحكم في السوائل أثناء الإنتاج. على الرغم من هذه المشكلات، تُعد مقاييس اللزوجة الدورانية تقنية راسخة في إنتاج المايونيز، وتُستخدم في مختبرات مراقبة الجودة منذ سنوات عديدة.

يتغلب قياس اللزوجة المباشر على هذه القيود من خلال المراقبة المستمرة للمنتج أثناء عملية الإنتاج. وتتيح القياسات الآنية للمصنعين اكتشاف أي انحرافات في العملية فوراً، مما يحسن من اتساق الدفعات والتحكم فيها. Rheonics جهاز قياس اللزوجة SRV هو جهاز قياس لزوجة مدمج مصمم لهذا الغرض.

ستختلف القياسات المباشرة عن قراءات المختبر في البداية نظرًا لاختلاف ظروف التشغيل وطبيعة معظم السوائل غير النيوتونية. ونظرًا لثقة العملاء في أجهزة القياس الدورانية ولوائح مراقبة الجودة، فإنهم غالبًا ما يبحثون عن علاقة بين معدل تدفق التحفيز الدوراني (SRV) والقراءات الدورانية غير المباشرة، مما يسمح لهم أيضًا بتقليل أو إلغاء الحاجة إلى أخذ العينات يدويًا. تقيّم هذه الدراسة العلاقة بين Rheonics قياسات اللزوجة باستخدام SRV و Brookfield عبر مجموعة من تركيبات المايونيز التجارية التمثيلية.

ملاحظة: الغرض الرئيسي من جهاز SRV هو توفير قياسات متسقة وقابلة للتكرار. يمكنك بعد ذلك تحديد ما إذا كنت تريد إنشاء ملف تعريف متوافق مع قياسات المختبر (باستخدام التحجيمأو بالاعتماد فقط على بيانات SRV. قد يساعدك هذا الفيديو في تبديد أي شكوك إضافية: هذه هي الطريقة Rheonics يُقارن مقياس اللزوجة المدمج SRV بالأدوات الأخرى ويُضيف دقة إلى العملية.

تقيّم هذه الدراسة ما إذا كان من الممكن إيجاد علاقة ارتباط موثوقة بين Rheonics SRV قراءات اللزوجة المباشرة وقياسات اللزوجة في مختبر بروكفيلد للمايونيز عبر خمسة منتجات متوفرة تجارياً مع مجموعة واسعة من محتوى الزيت وأنواع التركيبات.

والأهداف المحددة هي:

• قم بتوصيف خصائص لزوجة كل منتج باستخدام مقياس لزوجة بروكفيلد عند سرعات دوران متعددة.

• تحديد SRV قابلية تكرار القراءة عبر خمس تجارب متسلسلة لكل منتج (CV(معامل التباين).

• حدد جهاز قياس معدل الدوران من بروكفيلد الذي يوفر أكثر القياسات اتساقًا لتحقيق ارتباط خطي صحيح (R²) بين المتوسطات SRV ومتوسط ​​قراءات لزوجة بروكفيلد.

• حدد ما إذا كان بإمكان معادلة خطية واحدة التحويل بشكل موثوق بين طريقتي القياس لمنتجات المايونيز المختلفة.

اختيار المنتجات

الجدول 1. التركيب المعلن عنه على الملصق وموقع السوق لعينات المايونيز الخمس.

أُجريت القياسات باستخدام مقياس لزوجة بروكفيلد مزود بمغزل LV4، عند سرعات دوران متزايدة ومتناقصة، مع تسجيل اللزوجة الظاهرية ونسبة عزم الدوران عند كل سرعة. سُجلت نقاط البيانات التي لم يستقر فيها عرض عزم الدوران (مؤشر وامض = لا) ولكن تم تصنيفها على أنها أقل موثوقية.

ملاحظة:

• أُجريت جميع القياسات عند درجة حرارة مضبوطة تبلغ 23.5 درجة مئوية

• تم تضمين نقاط البيانات التي تتراوح قيم عزم الدوران فيها بين 20% و 80% فقط في التحليل لضمان قياسات موثوقة للزوجة.

• ثابت المغزل LV4 هو 6,000، مما يعطي العلاقة بين العامل: العامل = 6,000 / RPM، واللزوجة (cP) = عزم الدوران (%) × العامل.

الجدول 2. شروط اختبار مقياس اللزوجة بروكفيلد (LV4 مغزل)

أُجريت قياسات اللزوجة باستخدام Rheonics مستشعر SRV متصل بجهاز كمبيوتر عبر منفذ USB ويتم تسجيل البيانات باستخدام Rheonics لوحة التحكم. لكل منتج، تم غمر المستشعر في كوب عينة، وأجريت خمس تجارب قياس متسلسلة.

ملاحظة:

• استغرقت كل تجربة ما بين 190 و273 ثانية. ويتم تحديث القراءة كل 3 ثوانٍ تقريبًا.

• تراوحت درجة الحرارة المحيطة بين 23.5 درجة مئوية و 23.9 درجة مئوية خلال الجلسة الأولى (مايو 1 إلى 3)، وبين 24.0 درجة مئوية و 24.5 درجة مئوية للجلسة الثانية (مايو 4 إلى 5).

الرسم البياني 1 – لزوجة بروكفيلد مقابل عدد دورات المحرك في الدقيقة لجميع المنتجات الخمسة

الشكل 2 يوضح الشكل متوسط ​​اللزوجة الظاهرية وفقًا لبروكفيلد عند ثلاث قيم مختارة لسرعة الدوران لكل منتج من المنتجات الخمسة. تمثل سرعات الدوران الثلاث المختارة ظروف القص المنخفضة والمتوسطة والعالية ضمن نطاق عزم الدوران الموثوق (مستقر عند الوميض = نعم). تُظهر جميع المنتجات الخمسة سلوكًا قويًا لتخفيف اللزوجة مع زيادة معدل القص، حيث تنخفض اللزوجة الظاهرية بمقدار عشرة أضعاف تقريبًا من أدنى سرعة دوران تم اختبارها إلى أعلى سرعة.

الرسم البياني 2 – سلسلة زمنية للزوجة SRV وقيمها المتوسطة

الأشكال من 3 إلى 7 تُظهر هذه النتائج قياسات لزوجة SRV لجميع التجارب الخمس على كل منتج. ويُعرض متوسط ​​حالة الاستقرار لكل تجربة والمتوسط ​​العام للتجارب الخمس. بالنسبة لمنتج Mayo 1، تُظهر التجربة الأولى قراءة أعلى باستمرار من التجارب من 2 إلى 5، ويعزى ذلك إلى سلامة بنية المستحلب في العينة غير المضطربة؛ وتُظهر التجارب اللاحقة انخفاضًا طفيفًا يليه تعافٍ انسيابي. دقة القياس داخل التجربة (الانحراف المعياري داخل التجربة) أقل من 0.15 سنتي بواز لجميع تجارب Mayo 1، مما يؤكد استقرار المستشعر الممتاز.

الرقم 3. قراءات مايو 1 SRV

الرقم 4. قراءات مايو 2 SRV

الرقم 5. قراءات مايو 3 SRV

الرقم 6. قراءات مايو 4 SRV

الرقم 7. قراءات مايو 5 SRV

كما هو موضح أعلاه، يُظهر كل من مايو 1 ومايو 4 نفس الاتجاه خلال التجربة 1، وهو أعلى بكثير من التجارب من 2 إلى 5. التفسير الأكثر ترجيحًا هو استعادة البنية الانسيابية.

عندما يرتاح المايونيز، تتشكل شبكة مستحلباته من جديد لتكوين هلام متماسك تمامًا. عند إجراء أول قياس للزوجة باستخدام جهاز SRV، يتم رصد هذا الهيكل المتماسك، مما ينتج عنه أعلى قراءة للزوجة. تؤدي عمليات الغمر اللاحقة إلى اضطراب البنية المحلية، وعلى الرغم من حدوث تعافٍ جزئي بين التجارب، إلا أن العينة لا تستعيد بنيتها بالكامل خلال الفترة القصيرة.

يُفسر هذا السلوك سبب ظهور أعلى معاملات التباين (CV) في كل من مايو 1 ومايو 4. ومع ذلك، تبقى قيم معامل التباين ضمن النطاق المقبول. في عملية الإنتاج المتصلة، يُتوقع أن يكون هذا التأثير ضئيلاً، حيث يحافظ التدفق المستمر على المنتج تحت تأثير قص ثابت، مما يمنع استعادة بنيته بالكامل..

ملاحظة: كان بإمكاننا إزالة التجربة 1 من اختبار حقيقي في الموقع، لكننا أبقيناها لإظهار ما يمكن أن يحدث في ظل ظروف العالم الحقيقي.

الرسم البياني 3 – متوسط ​​SRV مقابل متوسط ​​بروكفيلد: الارتباط الخطي

الأشكال من 8 إلى 13 نعرض النتائج الرئيسية للدراسة. تمثل كل نقطة منتجًا واحدًا، حيث تم رسم متوسط ​​لزوجة بروكفيلد (المحور السيني) مقابل متوسط ​​اللزوجة الكلي لـ SRV (المحور الصادي). تم إجراء التحليل ست مرات: مرة واحدة لكل قيمة من قيم بروكفيلد RPM (1.5، 3.0، و6.0) باستخدام جميع المنتجات الخمسة (الأشكال من 8 إلى 10، وتكرر ذلك باستثناء مايو 5 (الأشكال من 11 إلى 13)، مما أدى إلى تحسين الارتباط بشكل ملحوظ.

الرقم 8. جميع المنتجات الخمسة تُظهر ارتباطًا خطيًا عند 1.5 دورة في الدقيقة

الرقم 9. جميع المنتجات الخمسة تُظهر ارتباطًا خطيًا عند 3 دورة في الدقيقة

الرقم 10. جميع المنتجات الخمسة تُظهر ارتباطًا خطيًا عند 6 دورة في الدقيقة

كما هو موضح في الرسوم البيانية الثلاثة الأولى أعلاه، عند تضمين جميع المنتجات الخمسة، تنخفض قيم معامل التحديد (R²) إلى 0.023 و0.151 و0.340 عند سرعات دوران 1.5 و3.0 و6.0 دورة في الدقيقة على التوالي. هذه القيم منخفضة للغاية بحيث لا يمكن اعتبارها نموذجًا تجريبيًا موثوقًا، لأن منتج مايو 5 يمنع وجود ارتباط خطي ذي دلالة بين جميع المنتجات الخمسة. لذلك، أُعيد التحليل باستبعاد منتج مايو 5.

الرقم 11. باستثناء مايو 5، الارتباط الخطي عند 1.5 دورة في الدقيقة

الرقم 12. باستثناء مايو 5، الارتباط الخطي عند 3 دورة في الدقيقة

الرقم 13. باستثناء مايو 5، الارتباط الخطي عند 6 دورة في الدقيقة

يؤدي استبعاد مايو 5 إلى تحسين الارتباط بشكل ملحوظ. تبلغ قيم R² الناتجة 0.865 و0.910 و0.888 عند 1.5 و3.0 و6.0 دورة في الدقيقة على التوالي.

تم الحصول على أقوى ارتباط عند 3.0 دورة في الدقيقة (R² = 0.910) ويمكن ربطه بـ SRV باستخدام المعادلة الخطية التالية:

• SRV (cP) = 0.4782 × BF₃.₀ (kcP) + 26.60 (R² = 0.910)

لتطبيقها في RCP، يجب إعادة ترتيب المعادلة للتعبير عن لزوجة بروكفيلد بدلالة قراءة SRV. لذلك:

• BF₃.₀ (kcP) = (SRV (cP) − 26.60) / 0.4782
• الصيغة الخطية المكافئة: BF₃.₀ = 2.090 × SRV − 55.62
• وبالتالي، فإن معاملات قياس RCP هي C1 = 2.090 و C0 = −55.62.

• أظهرت جميع المنتجات سلوكًا مُخفِّفًا للقص، حيث انخفضت اللزوجة مع زيادة سرعة الدوران. وكانت أنواع المايونيز من 1 إلى 3 ذات لزوجة أعلى من المنتجات قليلة الدسم. أما المايونيز رقم 5 (7% زيت) فقد أظهر أعلى لزوجة بروكفيلد عند جميع سرعات الدوران.

• كانت قابلية تكرار قياسات SRV جيدة لجميع المنتجات. تراوحت معاملات التباين (CV) لمنتجات Mayo 2 و3 و5 بين 0.9% و1.4%، بينما أظهر منتجا Mayo 1 و4 تباينًا أعلى (5.0% و4.0% على التوالي) نظرًا لأن القياس الأول كان أعلى باستمرار من بقية القياسات، ويرجع ذلك على الأرجح إلى استعادة البنية الانسيابية. بالنسبة للتطبيقات المباشرة، يُوصى بفترة استقرار لا تقل عن 60 ثانية بعد إدخال المسبار.

• من بين الظروف التي تم اختبارها، قدمت 3.0 دورة في الدقيقة أفضل ارتباط مع قياسات SRV (R² = 0.910)، تليها 6.0 دورة في الدقيقة (0.889) و 1.5 دورة في الدقيقة (0.865).

• تُحقق أقوى علاقة ارتباط عند 3.0 دورة في الدقيقة، باستثناء مايو 5 (R² = 0.910). بالنسبة لتطبيق RCP، فإن معاملات القياس هي C1 = 2.090 و C0 = −55.62.

• تُعدّ هذه العلاقة صحيحةً بالنسبة للمايونيز الذي يحتوي على نسبة زيت تتراوح بين 30 و80% عند درجة حرارة 23.5 درجة مئوية باستخدام مغزل LV4. أما مايونيز 5 (7% زيت، مُكثّف بمادة هيدروكولويد) فلا يتبع هذه العلاقة، ويتطلب نموذج علاقة منفصل.