BG64013B1

BG64013B1 - Устройство и метод за прилагане на дифузна вълнова спектроскопия за измерване характеристиките на многофазови системи и промените в тях

Info

Publication number: BG64013B1
Application number: BG104815A
Authority: BG
Inventors: Kruif Cornelis De; Grotenhuis Erik Ten; David Weitz; Goro Nishimura; Arjun YODH
Original assignee: Stichting Nederlands Instituut Voor Zuivelonderzoek ( Nizo)
Priority date: 1998-04-02
Filing date: 2000-09-29
Publication date: 2003-09-30
Also published as: IL138815A; DE69902155T2; ZA200005282B; JP2002510796A; PL343252A1; NO20004944L; DE69902155D1; AU751529B2; ATE220790T1; KR20010074469A; CA2326987A1; AU3174299A; EP1068498A1; EP1068498B1; NO20004944D0; US6831741B1; BG104815A; WO1999051954A1; IL138815A0; DK1068498T3

Abstract

Устройството служи за измерване на физико-химичните характеристики на течности, като разтвори, дисперсии и емулсии. Състои се от светлинен източник (1) за генериране и излъчване на светлина в течността (7), детектор за откриване на тази светлина след разсейването й от течността (7), средство за обработка, предназначено за приемане на изходния сигнал от детектора. Средството за обработка е предназначено за изчисляване на максималната стойност на средното квадратично отклонение rm2> от автокорелационна функция g(2) като функция на времето и стойността на характеристиката от изчислената максимална стойност на средното квадратично отклонение rm2>.

Description

(54) УСТРОЙСТВО И МЕТОД ЗА ПРИЛАГАНЕ НА ДИФУЗНА ВЪЛНОВА СПЕКТРОСКОПИЯ ЗА ИЗМЕРВАНЕ ХАРАКТЕРИСТИКИТЕ НА МНОГОФАЗНИ СИСТЕМИ И ПРОМЕНИТЕ В ТЯХ

Област на техниката

Изобретението се отнася до устройство за измерване характеристиките на многофазни системи и промените в тях, например променящи взаимодействия между частиците в даден разтвор. По-специално изобретението се отнася до устройство за използване при многофазни системи, в които поне една от фазите е течна фаза или флуид, като галове, млечни сокове, суспензии или емулсии.

Устройството съгласно изобретението включва източник на светлина за генериране на светлинен сноп. Възможно е да се използва най-малко един влакнест източник, единият край на който да е разработен за приемане на лазерния лъч, а другият му край да е разработен за излъчване на светлина в многофазната система или за насочване на светлината директно в многофазната система. Поне един влакнест детектор, разработен за откриване на светлината, след като тя се разпръсне чрез многофазната система, средство за обработка, за приемане на изходен сигнал от поне един влакнест детектор и за изчисление на предварително определени параметри по отношение на многофазовата система.

Предшестващо състояние на техниката

Подобно устройство е известно от D.S. Horne., Dynanic Light Scattering Studies of Concentrated Casein Micelle Suspensions, Chapter 15 in S.E. Hardings, e.a., Laser Scattering in Biochemistry, 1992.

Устройството за дифузна вълнова спектроскопия (DWS), описано от Home, включва световод, съставен от разделен на две части сноп оптични влакна. Половината от влакната са свързани към случайно поляризиран НеNe-лазер. Другата половина от влакната е свързана към фотоумножител. Снопът влакна е разпределен по случаен принцип върху повърхността на обикновена стойка. При употреба несвързаните краища на влакната се по топяват в разсейващата светлина многофазна система, например мляко, или отделяща мляко среда/разтвор. Тези влакна, които са свързани към лазера, излъчват лазерна светлина в многофазната система. Отразената светлина от многофазната система се детектира от влакнестите детектори, свързани към фотоумножителя. Защитата с прорез или малък отвор може да осигури отражение на светлината само от малка площ върху детектора.

С устройството могат да бъдат измерени интензитетите на корелационните функции. Примери за такива фракции са дадени за 330 nm полистирен латекс и мляко с неотстранен каймак. Освен това Home показва, че може да бъде измерено времето за релаксация като функция от обема на фракцията казеинов мицел в преработеното мляко. Horae също така показва, че времето за релаксация се променя като следствие от формирането на извара. Така преминаването от флуид към гал може да бъде регистрирано. Едно от заключенията на Home е, че наблюдението на DWS-поведението в тези гелни системи, благодарение на измерването, което се прави при него относно времето за релаксация, трябва да се отрази в промени на вискозоеластичните свойства. Обаче Home не показва как вискозоеластичните свойства могат да бъдат получени количествено от DWSизмерванията.

Освен това измерванията, описани от Home, не могат лесно да бъдат осъществени количествено, понеже тези измервания се провеждат при случайно разпределен сноп от входящи и изходящи оптични влакна.

А.С.М. van Hooydonk, е.а., Control and Determination of the Curd-setting during Cheesemaking, Bulletin of the International Dairy Federation (1988) (N 255), pp 2-10, се отнасят до предизвикващата съсирване коагулация на млякото. Досега не е било реализирано количествено измерване при формирането на гал и последващо отделяне на течност от изварата вследствие на свиването (syneresis). Оптималната плътност при коагулацията трябва да се определя директно за срязването, за да се получи максимален добив и качество на сиренето. Hooydonk и други отбелязват, че повечето производители на сирене съдят относно оптималното време за срязване “по усета за пресичане и... с поразителна прецизност”. Освен това те отбелязват, че въпреки разработването на множество инструменти, които могат да изпълнят тази задача автоматично, никой от тях не е намерил пълно приложение. Така нареченият “Gelograf” се счита за стандартен инструмент за измерване на желирането на мляко за сирене при ниска устойчивост на гела. Засилен е интересът към автоматизираните методи за управление на процеса на втвърдяване на изварата.

В US патент 4 975 237 е описано устройство за динамично разпръскване на светлина, което включва лазер като светлинен източник, свързан към разпръскващ светлина образец чрез първо оптично влакно и първа леща. Лещата фокусира лъч в образеца и разсеяната светлина се събира от приемна леща и приемно влакно. Фотодетектор детектира светлината, предадена от приемното влакно и я преобразува в електрически сигнал. Фотодетекторът е свързан към корелатор и компютър. Този корелатор не се използва за количествени измервания на характеристиките на образеца.

Техническа същност на изобретението

Задачата на изобретението е да се създаде устройство, с което да могат да се измерват характеристиките на течности, като разтвори, дисперсии и емулсии и физико-химичните характеристики да се свързват с оценката за разсейването на светлината в течности.

За целите на изобретението терминът “течности” включва както хетерогенни системи, които съдържат две отделни фази, като течна фаза и суспензирана твърда фаза, две неразтворими една в друга течни фази, или емулгиране (течна) фаза в друга течна фаза, така и по-хомогенни системи, които подлежат на промени във фазите, фазови превръщания, или формиране на фази, като системи, при които може да се случи формиране на гел, утаяване, агрегация или промени във вискозитета.

Тези хомогенни или хетерогенни системи могат да включват органични, неорганични, а също и биологична среда или компоненти, водни системи или разтвори, или системи със смесена органична/неорганична и/или биологична природа. В даден случай многофазната система е мляко или млекопроизводна среда/разтвор, например такава, която се използва при производството на сирене.

Друга задача на изобретението е да се осигури метод, който може да бъде реализиран чрез устройство съгласно изобретението и чрез който да може да се осигурят физикохимичните характеристики на такива течности чрез дифузна вълнова спектроскопия. Такъв метод може да бъде свързан с контрол на коагулирането на млякото при производството на сирене, но не се ограничава само в това.

Устройството съгласно първия аспект на изобретението се характеризира с това, че средството за обработка е пригодено да изчислява максималната стойност на средното квадратично отклонение <Дг²т> от автокорелационната функция g^<2) като функция на времето и стойността за физико-химичната характеристика от изчислената максимална стойност на средно квадратичното отклонение <Дг²ш>.

При едно от изпълненията физикохимичната характеристика е устойчивостта на гела G’, която е изчислена със следното уравнение:

ξ<Δτ² >

» ш в което К_ВТ означава термичната енергия на частиците в гела; ξ размерът на една група в гела.

Устройството съгласно втори аспект на изобретението се характеризира с това, че средството за обработка е пригодено да определи времето за полуразпад като функция от времето на автокорелационната функция и да определи стойността за физикохимичната характеристика, като се използва предварително определена връзка между времето за полуразпад и автокорелационната функция. Тази стойност може да бъде устойчивостта на гела.

Друга разлика между устройството съгласно изобретението и устройството на Horne е разположението на оптичните влакна. Докато при устройството на Horne влакната са разпределени случайно и разстоянията помежду им са неизвестни, в устройството съгласно изобретението разстоянията между влакната на детектора са предварително определени. За да се улеснят изчисленията, влакната на детектора са за предпочитане от един тип и са подходящи за една специфична монохроматична дължина на вълна. Влакната за предпочитане са установени по така наречената “геометрия на обратно разсейване”, която дава възможност да се определи количествено автокорелацион ната връзка, която се оценява. Те могат да са с формата на нивопоказател, така че могат лесно да бъдат потапяни в каквато и да е течност.

Предимство на DWS по отношение на гелографа е, че могат да бъдат измерени променящите се взаимодействия между малките капчици, мехурите или частиците на фазите. В случай на втвърдяване на млякото ефектите от добавянето на подкваса могат да се наблюдават в много по-ранен етап на процеса. Методът не е деструктивен, тъй като принципът му на работа не е базиран на механични въздействия, а на разсейване на монохроматичната светлина, която не уврежда течността.

Освен това DWS може да се използва за извършване на локални измервания, което също така дава възможност да се изследват нехомогенностите в образците. Обемът, който се изследва от една двойка влакнест източник и от влакнести детектори, варира от 1 nl до 1 1 или повече и може да бъде поместен в неопределено голям обем. Той зависи от разстоянието между влакното на източника на влакната на детектора.

При един вариант съгласно изобретението влакно на източника и поне едно влакно на детектора са потопени в млякото, в което е добавена подкваса.

За да се среже по автоматичен път млякото при подходяща устойчивост на гела, в друг вариант устройството включва машина за срязване, присъединена към средствата за обработка, при това средствата за обработка са пригодени да сравняват устойчивостта на гела с еталонна устойчивост на гела и активират срязващата машина, когато устойчивостта на гела достигне еталонната стойност за срязване.

Трети аспект на изобретението се отнася до метод за измерване на физико-химичните характеристики на течностите, като разтвори, дисперсии и емулсии, и включва следните етапи:

- генериране на светлинен лъч (2);

- излъчване на светлина към течността (7);

- детектиране на светлината, след като е била разсеяна от течността (7);

- преобразуване на детектираната светлина в електрически сигнал;

- предаване на електрическия сигнал към средството за обработка;

- изчисляване на автокорелационната функция g⁽²⁾ във времето или в честотния обхват на електрическия сигнал. Съгласно изобретението максималната стойност на средното квадратично отклонение <Дг²и> се изчислява от автокорелационната функция g^<2) (τ) или от g^<2) (v) по подобен начин като функция на времето, а стойността на характеристиката се изчислява от изчислената максимална стойност на средното квадратично отклонение <Аг²ю>. Стойността може да бъде устойчивостта на гела, която се изчислява, като се използва следното уравнение:

в което Κ_β.Τ означава термичната енергия на частиците в гела; ξ “ размер на една група в гела.

Четвърти аспект на изобретението се отнася до метод за измерване на физико-химичните характеристики на течностите, като разтвори, дисперсии, емулсии, и включва следните етапи:

- произвеждане на светлинен лъч (2);

- излъчване на светлина в течността (7);

- изчисляване на автокорелационната функция g^<2) от споменатия електрически сигнал, като времето за полуразпад се изчислява като функция на времето от автокорелационната функция, а стойността на посочената характеристика се определя, като се използва предварително определена връзка между времето за полуразпад и автокорелационната функция. Стойността може да бъде устойчивостта на гела.

Пояснение на приложените фигури

Изобретението се пояснява с позоваване на приложените фигури, без да ограничат обхвата му.

Фигура 1 представлява блокова схема на устройството съгласно изобретението;

Фигура 2 показва автокорелационни функции за различни разстояния между влакното на източника и влакната на детекторите;

Фигура 3 представя същите данни, като тези от фиг. 2, но нормализирани за разстоянията между влакното на източника и влакната на детектора;

Фигура 4 показва профили на интензитет за различни видове мляко като функция на разстоянието източник-детектор;

Фигура 5 показва автокорелационните функции в различни моменти след добавянето на подкваса към млякото за разстояние източник детектор 4,9 пнп;

Фигура 6 показва същите данни, като тези от фиг. 5, но при разстояние източник детектор 9 mm;

Фигура 7 показва времена за полуразпад при различни добавки на подкваса към обезмаслено мляко като функция на времето след добавяне на подкваса;

Фигура 8 показва профили на интензитет при различни добавки на подкваса към обезмаслено мляко като функция на времето след добавяне на подкваса;

Фигура 9 сравнява зависимостта във времето на времето за полуразпад и профила на интензитета при добавка на 0,2% подкваса към обезмаслено мляко;

Фигура 10 сравнява времената на полуразпад за обезмаслено мляко с тези за пълномаслено мляко като функция на времето след добавяне на подкваса;

Фигура 11 сравнява зависимостта във времето на времето на полуразпад и профила на интензитета при добавяне на 0,02% подкваса към пълномаслено мляко.

Примери за изпълнение на изобретението

Фигура 1 показва едно възможно изпълнение на устройство за дифузна вълнова спектроскопия съгласно изобретението. Показаното устройство включва лазер 1, който може да бъде Аг⁺ лазер с дължина на вълната 514 nm. Лазерът 1 генерира лазерен лъч 2, който е насочен към колиматор 3, който осигурява колимиран лазерен лъч (4), насочен към многомодово влакно 5. Лазерната светлина може да се подаде в многомодовото влакно 5 чрез влакнест съединител F-220SMA-B, Thorlabs, монтиран върху накланяща се платформа. Многомодовото влакно 5 може да бъде от типа

FG-50-GLA, Thorlabs, което има диаметър на сърцевината 50 gm. При употреба многомодовото влакно 5 се потопява с единия си край в многофазна система/разтвор 7, например мляко в контейнер 6.

В устройството от фиг. 1 са показани пет детекторни влакна 8₍₁₎,..., 8_(J), разположени на предварително определени разстояния от многомодовото влакно 5. Обаче броят на детекторните влакна може да бъде 1 или повече. Детекторните влакна за предпочитане са от един тип. Те са свързани към влакнест мултиплексор 9, който може да бъде мултиплексор “Dicon fibre”.

Изходът на влакнестия мултиплексор 9 е свързан чрез връзката 10 към фотоумножителна тръба 11, например НС-120РМТ, Hamatsu, която на своя ред е свързана към усилвател/дискриминатор 12. Усилвателят/дискриминаторът 12 е свързан към процесор 13, който включва свързан с компютър пулт, например Brookhaven Instruments 9000. Възприемането на данните и анализът се реализират чрез процесор 13. Процесорът 13 е свързан към паметта 15 и входни устройства, например клавиатура, мишка и други.

При един вариант процесорът 13 е свързан с режеща машина 14 за нарязване на желираното мляко, когато то е достигнало подходяща устойчивост на гела в процеса на производство на сирене.

При работа многомодовото влакно 5 излъчва лазерна светлина в многофазната система 7. Лазерната светлина се разсейва от многофазната система и тази многократно разпръсната лазерна светлина се детектира от детекторните влакна 8₍₁₎,..., 8_(J). Тези детекторни влакна могат да бъдат от един тип, а именно FS-VS-2614, Thorlabs. С помощта на влакнестия мултиплексор 9 може да бъде селектирано едноканално улавяне на сигнала от едно от детекторните влакна 8₍₁₎,..., за измерване на корелационната функция.

При един от експериментите многофазната система 7 е прясно, обезмаслено мляко, а при друг експеримент многофазната (7) система е пълномаслено мляко. И двете са доставени от Wawa-супермаркети.

Обезмасленото мляко съдържа незначително количество мазнина, като при пълномасленото мляко тя е 33 g/Ι. Млякото се налива в контейнер 6 (6,6 cm х 12 cm х 11,0 cm) и се довежда до температура 30°С при поставяне на контейнера във водна баня (не е показана). Температурата на млякото се управлява чрез замяна на студената вода с гореща през равни интервали. По този начин температурата 5 може да се поддържа 30°С, с отклонение 2°С.

Добавя се подкваса в обичайната концентрация от 20 ml на 100 1 (0,02%) млякото. Към обезмасленото мляко се прибавят също по-високи концентрации от 0,04% и 0,08%. При първите експерименти автокорелационните функции и интензитета на детектираната отразена лазерна светлина се измерват за всеки канал в продължение на 60 s при относително големи интервали. Впоследствие корелационните функции и интензитетите в канала, който е с разстояние между източника и детектора 4,9 mm, между края на многомодовото влакно 5 и края на влакното на детектора 8(1), което се потапя в многофазна система 7, се измерват след интервали от 30 до 60 s за период от няколко часа. Влакнестият мултиплексор 9 е настроен, но не функционира при тези последни измервания.

При обработката на резултатите от измерванията се работи с известна теория.

Изразът за интензитета в безкрайна система се изчислява с уравнението:

J(p) «-i^exp (-/3μ>μίρ) W като А е константа, зависеща например от лазерната входяща мощност и от свързващите възможности на влакната; μ* е коефициент на абсорбиране; р е разстоянието между източника и детектора; p_s е реципрочната на средно свободния път I*. Корелационната функция за електрическото поле g“> (τ) (-<E,*(0)E_s(x)>/<Es²>) за геометрията на обратно разпръскване се получава с уравнението:

<Аг²(т) +3-¾}

μ.

(2) като Δγ²(τ) е средното квадратично отклонение; (ζ е вектор на вълната, който се отнася до нейната дължина; τ е измереното време между две последователни точки на измерване.

Тъй като автокорелационната функция g^<2)(x) на интензитета I(g⁽²⁾(T)-<I(o).I(x)>7 <Р(о)>) се определя от зависимостта на Siegert g⁽²>(x)-l + p/g⁰⁾(T)/² (3) като β е константа, свързана с използваното устройство, автокорелационната функция g^<2> (τ) може да бъде изчислена. При опитите базовата линия е отчетена при голямо х, като g^ll)(x)=O и се използва за изчисляване на g⁽²⁾ (τ). Коефициентът β, който следва да бъде равен на 0,5, понеже се използва едномодово влакно 8(1),... се оценява от поведението на g^<2) (τ) за кратки периоди на корелация. Базовата линия е извадена от данните, които са нормализирани за β, като се получава изразът (g^t2) (τ)-1/β, който е равен на /g‘ⁿ (τ)/².

За Брауново движение на частиците средното квадратично отклонение може да бъде записано като <Ar²>-6Dx, като D е дифузионна30 та константа. В този случай In (g^(I) (τ))/р“ Vx и експерименталните данни следва да формират една обща линия като графично представяне.

Фигури 2 и 3, съответно, представят In (g^<2) (τ)) и In (g^<2) (τ)) /р, съответно като функция на Ύτкато измерени от пет влакна (8(1),..., 8(5) в обезмасленото мляко, разположени на различни разстояния от влакното на източника 5, както това е посочено подробно вдясно на фигури 2 и 3.

Лазерният изходящ сигнал, използван при първите опити, е около 300 mW. Кривата In (g^<2) (τ) vs Vx” дава силовата линия на Брауновото поведение. Точките, от които се снемат данните в In (g^(2> (τ)) /р vs VT-кривите, са на една и съща линия, както се предвижда от теорията (фиг. 3), докато g^<2) (τ) достигне нивото на шум. Това е най-ясно изразено при канала с най-голямо разстояние р = 1,92 cm между източник и детектор.

Зависимостта на интензитета от разстоянието между източник и детектора е представена на фигура 4. Прието е, че всички съединения влакно/мултиплексор имат приблизител50 но една и съща ефективност. Линиите са найподходящи, когато променливи са А и μ*₅. ц_а е фиксирано със стойност от 0,03 cm¹. За А и p‘_s, съответно са намерени стойностите 31 и 25,7 cm¹, съответно при обезмаслено мляко и 21 и 67,7 спг¹, съответно при пълномаслено мляко. Това означава, че средният свободен път I* в обезмасленото мляко е 0,39 mm и 0,15 mm в пълномасленото мляко. Това се дължи на факта, че глобулите се разпръскват в пълномасленото мляко.

Зависимостта на корелационните функции от времето е проследена след добавяне на подкваса (0,02%) в момента 0. Корелационните функции са записани при t<0 (т.е. преди прибавянето на подкваса), при t=10 min, t=40 min и t=120 min. Фигури 5 и 6 показват зависимостта от времето на корелационните функции за обезмаслено мляко, измерено за канала, при който р= 4,9 mm и р = 9,1 mm, съответно. Тези фигури показват типични корелационни функции In(g^<2) (τ), t) за мляко при t=0 и t=10 min по време на формиране на гела при t=40 min и след като гелът е бил формиран при t=120 min.

Корелационните функции също така са измерени в продължение на 30 s с 1 min интервали, за да се проследи в по-голяма дълбочина тяхното развитие във времето. Тъй като промените в корелационните функции по време на желирането протичат по подобен начин за всички разстояния между източника и детектора в интервала 5 до 19 mm, с корелационните функции са измерени само за най-близкия канал (р =4,9 mm). Изходната мощност на лазера 1 е намалена до около 30 mW. Резултантната изчислена величина е от порядъка на 100 KHz. Промяната в корелационните функции g⁽²⁾ (τ) може да бъде изразена чрез времето за полуразпад, т.е. с времето, необходимо на корелационната функция g⁽²⁾ (τ), за да спадне до половината от първоначалната си стойност. Тези измервания са изпълнени за обезмаслено мляко с концентрации на подквасата 0,02%, 0,04% и 0,08% и за пълномаслено мляко с концентрация на подквасата - 0,02%.

Изменението във времената за полуразпад е показано на фигура 7 в логаритмичнолинейна графика. Когато концентрацията на подквасата се увеличава, образуването на гел започва по-бързо, отколкото се очаква. Времето за полуразпад нараства от приблизително 2,5 μδ за мляко до 100 μβ за гела. Преди да започне образуването на гел, т.е. периода, в който се образуват агрегати, времето за полуразпад намалява слабо. В същия период профилът на интензитета има максимум, както е показано на фигура 8, която показва интензитета като функция на времето в обезмаслено мляко с различна концентрация на подквасата. За по-добро сравнение времето за полуразпад и интензитетът в обезмаслено мляко, с 0,02% добавена подкваса, са дадени на фигура 9. Образуването на гел се контролира визуално и започва приблизително при t=40 min, когато е добавена 0,02% подкваса.

Същите изменения са изпълнени за необезмаслено мляко, което има около 3,5% мазнина. Мазнината представлява дисперсирани в мазнината глобули, които допринасят за разбиване на млякото. Това е показано на фигура 4. Увеличението във времето на полуразпад протича подобно на това в обезмаслено мляко (фигура 10). Визуално е било наблюдавано, че необезмаслено също така започва да образува гел при t=40 min.

Времената на полуразпад в необезмаслено мляко са по-малки от тези в обезмаслено мляко. Времето на полуразпад нараства от 1,5 ps до 25 μδ. Отношението (времето за полуразпад на обезмаслено мляко) / (времето за полуразпад за необезмаслено мляко) нараства от приблизително 2 за млеката до повече от 4 за галовете.

Фигура 11 показва както времето за полуразпад, така и интензитета на необезмаслено мляко след добавяне на 0,02% подкваса. Като се сравнят профилите на времето за полуразпад и интензитетът показва подобно поведение на това за обезмаслено мляко.

От тези измервания може да бъде направено заключение, че разрастването на казеиновата мрежа, образуваща гела, не е чувствително към добавянето на това количество мазнина. Това е много подходящо за приложение на DWS при производството на мляко.

Освен това вискозоеластичните характеристики, като устойчивостта на гела, може да бъдат получени от измерванията, направени по следния начин.

Устойчивост на гел, която се дава чрез така наречения гелмодул G’, може да бъде свързана със средното квадратично отклонение <Δ г²> чрез осъществяване на следното решение. Принципът е този, че подвижна частица се улавя чрез еластичността на гела, което води до баланс между термичната енергия на частицата и устойчивостта на гела:

В това равенство К_ВТ е термичната енергия на частицата, ξ е размерът на натрупване в гела и <Δγ² > е максималната стойност на 10 m средното квадратично отклонение. <Аг²ю> може да бъде получено по следния начин. Δγ² (τ) е свързано с електрическата полева корелационна функция g⁽¹⁾ (τ) чрез уравнение 2. Но g^w (τ) също така е функция на времето t, 15 изминало от добавянето на подквасата в млякото, както е показано например на фигурите 5 и 6. По този начин Δγ² (τ) също така е функция на времето t. Оказва се, че Δγ² (τ) има максимум <Δγ²β> за определено τ, което зави- 20 си от времето t. <Дг² _т> е функция на времето t, което може да бъде контролирано чрез уравнение 2.

Размерът на групата на гел се определя чрез уравнението: 25

(5)

N_cp е броят на частиците в група; а е размерът на частиците (казеинови мисели в си- 30 рене) и d_f фракталния размер на групата, който е приблизително 2 в гел на сирене. Броят на частиците също така се определя от уравнението:

я. ³⁵ * -N_c <⁶⁾ като N_p е броят частици, присъстващи първоначално в млякото, и N. е броят на групите в гела. Обемните фракции дават друга 40 връзка между а и ξ с уравнението:

като Фо е първоначалната обемна фрак ция на казеинови мицели в млякото (“0,1), V_pе казеинов мицел (=4/Зла³) и V₍ е общият обем мляко. Същото уравнение може да бъде дадено за гела, който запълва целия обем, така че Ф= 1.

като V_c е обемът на групата с радиус ξ(ν=4/3πξΗ³).

Като се комбинират уравнения 6, 7 и 8, се получава уравнението:

W « (9) а³

Като се приема, че df“2 и като се използва уравнение 5, в даден случай се стига до следния прост израз за ξ:

От уравнения 4 и 10 може да бъде полу чено следното уравнение:

(И)

В това равенство а, К_ВТ и Ф_о са константи и <Δτ² _η> може да бъде управлявано като функция на времето t. По този начин G’ може да бъде управлявано като функция на времето t чрез процесор 13. Чрез сравнение на G’ (t) спрямо стойността G’_ref, запомнена в памет 15, и индициране на идеалната устойчивост на гела за срязване, срязването чрез срязващата машина 14 може автоматично да бъде стартирано, след като G’ (t) се сравни с G’_ref. Паметта 15 може да запомни таблица с различни стойности за G’^, за различни типове мляко, с различни типове и/или количества на добавен подквасващ материал. Операторът може да избере точната стойност на G’_ref чрез входното средство 16.

Като алтернатива електрическата полева корелация g⁽¹⁾ (τ) може също така да бъде свързана с времето за полуразпад т_и (t). Тогава чрез уравнението 11 устойчивостта на тела G’ (t) може да бъде изразена като функция на времето да полуразпад x^d). По този начин процесорът 13 може да изчисли устойчивостта на гела G’(t) чрез измерване на времето за полуразпад x_H(t). Предимството на този алтернативен метод е, че времето за полуразпад х_иО) показва бърза промяна на стойността в зоната, в която се появява коагулация и G’(t) достига еталонната стойност G’_ref. Тази последна особеност се отразява на възможността за много точно измерване на момента, в който се получава коагулация.

(8)

Освен това методът би могъл дори да даде поне индикация за масленото съдържание на млякото, което се използва, чрез измерване времето за полуразпад при известен добавен процент подквасващ материал (виж фигура 10).

Тези експерименти показват също така, че за управление на образуването на гел, без необходимостта за изчисление на адсорбцията и коефициентите на разсейване може да бъде използвано едно изходящо влакно, вместо 5, което означава, че е използвано подходящо разстояние на детектор-източник. Това би позволило избягването на влакнест мултиплексор при експерименталната настройка.

Лазерната мощност може да бъде настроена на около 30 mW, когато разстоянието детектор-източник е било 4,9 mm. Могат да бъдат използвани по-малки разстояния, позволяващи използването на лазери дори с по-малки мощности, докато разстоянията станат толкова малки, че да осигурят само многократно разсейване. DWS теорията ще бъде спазена, ако е достигнат режим на единично разсейване. Това ще бъде случаят, когато разстоянието детектор-източник е от порядъка на средната траектория, която е около 0,4 mm в обезмаслено мляко.

Методът съгласно изобретението е обяснен във връзка с измерването/контролирането на коагулирането на мляко.

Методът съгласно изобретението може да бъде използван в много по-широка област, поспециално във всяка система, процес, среда, реакция, смес, суспензия, емулсия и други, в които поне две фази се срещат едновременно т.е. в същата вместимост, резервоар или реактор, при това поне една от фазите е течна (фаза), флуидна фаза и/или разтвор.

Друга (и) фаза (и), присъстваща покрай течната фаза, не е специално ограничена, ако може да бъде разграничена от първата течна фаза за целите на изобретението, т.е. при което тя влияе на разпръскването на лазерен сноп, който се емитира вътре в нея или през нея.

Такава допълнителна фаза (и) може например да бъде твърда фаза, като флокулатна (на снопове) твърда фаза, суспензия твърда фаза и/или материал от суспензирани дребни частици; полутвърда или течна фаза, която съгласно изобретението включва гелове, агрегатирани състояния, суспензирани капчици на течност, която не може да се смесва, емулзифицирани капчици, включващи такива, които се срещат в известните W/О-емулсии, O/Wемулсии, O/W/O-емулсии и W/0/W-емулсии, както и мисели(колоидални агрегати молекули); или дори газообразна фаза, такава като малки мехурчета на суспензиран газ или мехурчета от газ, които са доведени през течната фаза.

Съгласно изобретението терминът “частици” се използва за означаване на всяка присъстваща допълнителна фаза, която за предпочитане е различна от течната фаза и с малък размер.

Изобретението може да бъде използвано за измерване на посочените по-горе характеристики на такива хетерогенни системи, поспециално промените в тях във времето, които промени могат да се получат спонтанно или обикновено като резултат на химическа реакция, физически процес или биологичен процес и които водят до изменения в разсейването на лазерния лъч.

Например системата може да бъде използвана за измерване стабилността и хомогенността на суспензии, емулсии или млечни сокове. Тя може също така да бъде използвана за проследяване развитието на химическа реакция, като полимеризация, физически процес, като смесване или фазова сепарация, или биологическо преобразуване, като ферментация, по-точно чрез проследяване промените във фазата (и) и/или във взаимодействието (а) между тях във времето; или чрез проследяване промените в композицията или характеристиките на една или повече от присъстващите фази.

За предпочитане това са процеси, в които образуването на гел, коагулация, флокулация, агрегация или промени във вискозитет играят важна роля. Също така може да бъде измерена промяна във взаимодействия, водеща незадължително до желиране, например когато се добавя стабилизатор в суспензия. Тя може дори да бъде използвана за изследване на частици в прозрачен гел, например на полимери (Xanthan gels). Процесите и обектите, при които може да бъде използвана, са ферментация, млечни произведения (сирене, кисело мляко, крем), гъби, оцветители, пластмаси и полимери, козметика, маслена индустрия и химическата индустрия.

Изобретението също така може да бъде използвано за изучаване фазови промени или превръщания в по-хомогенни вещества или на по-хомогенни (т.е. по същество самостоятелни фази) системи, като тези, които могат да се образуват при желиране, коагулация, флокулация или агрегация или дори като следствие на промени в температурата. За целите на изобретението такива системи се обхващат в термина “многофазна система”, като съществуват разлики между първоначалното и крайното физическо състояние (фаза).

Изобретението може също така да бъде използвано за измерване на вискозитет, хомогенност и т.н. на такива системи или изменения в тях във времето.

Разстоянието между влакната обикновено е от 0,1 до 100 mm и може да бъде настройвано. Частиците за предпочитане са в диапазона на колоидалния размер, което означава, че техният максимален размер е около 10 pm.

Температурните граници се определят от това, което оптичните влакна и колиматорите могат да издържат. Грубата оценка е 20°С<Т<80°С, 2<рН<9. Приблизително 1 измерване може да бъде направено за 5 s с относително ниска лазерна мощност от 25 mW. Когато се използва лазер с по-висока мощност (например 500 mW), времето за измерване може да бъде намалено до 1 s. Промени, които са побавни от времето на измерване, могат да бъдат контролирани с DWS.

Claims

Патентни претенции

1. Устройство за дифузна вълнова спектроскопия за измерване на физико-химически характеристики на многофазни системи, в които поне една от фазите е течна фаза или флуид, като гелове, млечни сокове, разтвори, дисперсии и емулсии, съдържащо светлинен източник (1) за генериране и излъчване на светлина в многофазна система (7), детектор за детектиране на светлината, която се разпръсква чрез многофазната система (7), средство за обработка за приемане на изходящ сигнал от детектора и за изчисляване на автокорелационната функция g^<2> на изходящия сигнал от детектора, характеризиращо се с това, че средството за обработка е с възможност за изчисляване на максимална стойност на средното квадратично отклонение <Аг² _ш> от автокорелационната функция g^<2) като функция на времето и стойността на физико-химическата характеристика на цялата течна система от изчислената максимална стойност на средното квадратично отклонение <Лг² >.

№
2. Устройство за дифузна вълнова спектроскопия за измерване на физико-химически характеристики на многофазна системи, в които поне една от фазите е течна фаза или флуид, като гелове, млечни сокове, разтвори, дисперсии и емулсии, съдържащо светлинен източник (1) за генериране и излъчване на светлина в многофазна система (7), детектор за детектиране на светлината, която се разпръсква чрез многофазната система (7), средство за обработка за приемане на изходящ сигнал от детектора и за изчисляване на автокорелационната функция g⁽²⁾ на изходния сигнал от детектора, характеризиращо се с това, че обработващото средство е разработено за определяне на времето за полуразпад като функция от времето на автокорелационната функция и за определяне стойността на физико-химическата характеристика, като се използва предварително определена връзка между времето за полуразпад и автокорелационната функция, в което при всяко определяне на времето за полуразпад се използва само сигналът от едно детекторно влакно (8).
3. Устройство съгласно претенция 2, характеризиращо се с това, че физико-химическата характеристика е устойчивостта на гел.
4. Устройство съгласно претенция 1, характеризиращо се с това, че физико-химическата характеристика е устойчивостта на гел G’ и средството за обработка е разработено за изчисляване на устойчивостта на гела G’ от максималната стойност на средното квадратично отклонение <Аг² _ш>, като се използва следното уравнение:

в което Kg.T означава термичната енергия на частиците в гела; ξ ·= размер на една група в гела.
5. Устройство съгласно претенции 1, 2, 3 и 4, характеризиращо се с това, че съдържа машина (14), свързана със средствата (11, 13) за обработка, които са пригодени да сравняват стойността за физико-химичната характеристика с еталонна стойност за тази характе ристика и да активират машината (14), когато двете стойности се изравнят.
6. Устройство съгласно претенции 1, 2, 3 и 4, характеризиращо се с това, че съдържа машина (14) за обработка на гела, свързана със средствата за обработка, които са пригодени да сравняват устойчивостта на гела G’ с еталонна стойност (G_ref) и да активират машината (14) за обработване на споменатия гел, когато устойчивостта на гела достигне еталонната стойност.
7. Устройство съгласно претенциите от 1 до 6, характеризиращо се с това, че съдържа поне едно детекторно влакно (8(1), 8(2)...), пригодено да детектира светлината, след като тя се разпръсне от многофазната система (7), средства за обработка (11-13), пригодени да приемат изходен сигнал от поне едно детекторно влакно и да изчисляват параметрите по отношение на многофазната система (7), при което всяко детекторно влакно (8(1), 8(2)...) е разположено на предварително определено разстояние спрямо предварителното влакно (5).
8. Устройство съгласно претенция 7, характеризиращо се с това, че всяко детекторно влакно (8(1), 8(2)...) е едномодово влакно.
9. Устройство съгласно претенция 7 или 8, характеризиращо се с това, че влакното на източника (5) е многофункционално влакно.
10. Устройство съгласно претенциите от 7 до 9, характеризиращо се с това, че разстоянията между което и да е детекторно влакно (8(1), 8(2)...) и точките на сблъскване между светлината и многофазната система са по-големи от средно свободния път на светлинния лъч в многофазната система (7).
11. Устройство съгласно претенциите от 7 до 9, характеризиращо се с това, че светлината е насочена към и поне едно детекторно влакно, потопено в млечна среда с добавка на подкваса.
12. Метод за измерване на физико-химичните свойства на многофазна система чрез дифузна вълнова спектроскопия, при което поне една от фазите е течна фаза или флуид, например гелове, млечни сокове, разтвори, дисперсии и емулсии, като методът включва следните етапи:

- генериране на светлинен лъч (2);

- излъчване на светлина към многофазната система (7);

- детектиране на светлината, след като е била разпръсната от многофазната система (7);

- преобразуване на детектираната светлина в електрически сигнал (11 и 12);

- предаване на електрическия сигнал към средството за обработка (13);

- изчисляване на автокорелационната функция g^(2> във времето или в честотния обхват на електрическия сигнал, характеризиращ се с това, че максималната стойност на средното квадратично отклонение <Аг² _ю > се изчислява от автокорелационната функция g^(2> (τ) или от g^<2) (v) по подобен начин, като функция от времето, а стойността за физико-химичната характеристика на цялата течна система се изчислява от изчислената максимална стойност на средното квадратично отклонение <Δγ² >.

ш
13. Метод за измерване на физико-химичните характеристики на многофазни системи чрез дифузна вълнова спектроскопия, при който поне една от фазите е течност или флуид, като гелове, млечни сокове, например разтвори, дисперсии, емулсии, като методът включва следните етапи:

- генериране на светлинен лъч (2);

- излъчване на светлина към многофазната система (7);

- детектиране на светлината, след като е била разпръсната от многофазната система (7);

- преобразуване на детектираната светлина в електрически сигнал;

- предаване на електрическия сигнал към средството за обработка;

- изчисляване на автокорелационната функция g^<2) от електрическия сигнал, характеризиращ се с това, че времето за полуразпад се изчислява като функция на времето от автокорелационната функция, а стойността за физико-химичната характеристика се определя, като се използва предварително определена връзка между времето за полуразпад и автокорелационната функция, при което при всяко определяне на времето за полуразпад, се използва сигналът само от едно детекторно влакно (8).
14. Метод съгласно претенция 13, характеризиращ се с това, че физико-химичната характеристика е устойчивостта на гела.
15. Метод съгласно претенция 12, характеризиращ се с това, че физико-химичната характеристика е устойчивостта на гела G’, при което устойчивостта на гела G’ се изчис лява от изчислената максимална стойност на средното квадратично отклонение <Ar² _m>, като се използва следното уравнение:

ξ<Δτ=_>

в което К_ВТ означава енергия на частиците в гела; ξ размера на снопа в гела.
16. Метод съгласно претенция 12 или ]θ 13, характеризиращ се с това, че стойността за физико-химичната характеристика се сравнява с еталонна стойност за управление на машината за обработване на многофазната система.
17. Метод съгласно претенция 14 или 15

15, характеризиращ се с това, че устойчивостта на гела G’ се сравнява с еталонна стойност (G_ref) и машината (14) се активира за обработване на посочения гел, когато устойчивостта му достигне еталонната стойност. 20
18. Метод съгласно претенция 12 или

13, характеризиращ се с това, че в многофазната система се контролира процес на желиране, флокулация или на агрегация.
19. Метод съгласно някоя от претенции те от 12 до 18, характеризиращ се с това, че включва етапите на детекция на отразената светлина от многофазната система (7) чрез поне едно детекторно влакно (8(1), 8(2)...);

- предаване на изходен сигнал от поне едно детекторно влакно към средствата за обработка;

- изчисляване на параметрите на многофазната система (7), при което всяко детекторно влакно (8(1), 8(2)...) е разположено на предварително определено разстояние от предаващото влакно (5).
20. Метод съгласно претенция 19, характеризиращ се с това, че разстоянията между което и да е детекторно влакно (8(1), 8(2)...) и точката на сблъскване между светлината и многофазната система са по-големи от средно свободния път на лазерната светлина в многофазната система (7).
21. Метод съгласно някоя от предходните претенции, характеризиращ се с това, че многофазната система е млечна среда с добавена подкваса.

Приложение: 11 фигури