Производство клея и желатина

Производство  клея и желатина

 

 

1. Ассортимент и требования к готовой продукции.
2. Механизм образования желатина. Студнеобразование. Механизм склеивания.
3. Технологический процесс.

 

 

     1. АССОРТИМЕНТ И ТРЕБОВАНИЯ К ГОТОВОЙ ПРОДУКЦИИ

Промышленность вырабатывает клей костяной, получаемый из кости, и клей мездровый, получаемый из мягких тканей, содержащих коллаген (преимущественно из подкожной клетчатки—мездры). Мездровый клей обладает несколько большей клеящей способностью, чем костяной.

Соответственно назначению и в зависимости от качественных показателей различают пищевой, технический и фотожелатин. Пищевой желатин применяют в качестве желирующего и вяжущего материала.

Главным свойством желатина является способность к образованию легкозастудневающих растворов. От размеров и асимметрии частиц зависят и другие свойства желатиновых растворов и студня: вязкость раствора, температура плавления и крепость студня, которые используют для суждения о качестве желатина. Вязкость раствора желатина принимается как один из важнейших качественных показателей продукта. Вязкость стандартного раствора желатина при 40° должна быть не менее 6°Э (стандартный раствор желатина содержит 17,75% товарно-сухого или 14,82% безводного и беззольного желатина).

Технический желатин применяют в полиграфической промышленности для изготовления типографской вальцовой массы и как составную часть красок. Вязкость стандартного раствора при 40 °С должна быть не ниже 3°Э, температура плавления студня не ниже 23 °С. рН растворов в пределах 5,0—6,5. Содержание золы допускается до 3%. Технический желатин выпускают I и II сортов в виде листов или в дробленом состоянии.

Фотожелатин выпускают двух видов: эмульсионный и неэмульсионный (баритажный). Эмульсионный желатин служит для изготовления светочувствительных эмульсий, фотопластинок, фотобумаги, кинопленок, аэрофотопленок, рентгенопленок и т. д. К фотожелатину предъявляются те же требования, что и к пищевому. Вязкость стандартного раствора фотожелатина не ниже 6°Э, температура плавления студня не ниже 20 °С, рН 5,5—7,0. Баритажный желатин в смеси с сульфатом бария применяют для образования на фотобумаге белого подслоя, на который наносят светочувствительную эмульсию. К баритажному желатину  предъявляют менее жесткие требования, чем к фотожелатину.

 

 

2. МЕХАНИЗМ ОБРАЗОВАНИЯ ЖЕЛАТИНА.

СТУДНЕОБРАЗОВАНИЕ. МЕХАНИЗМ СКЛЕИВАНИЯ.

 

МЕХАНИЗМ ОБРАЗОВАНИЯ ЖЕЛАТИНА

Из схемы элементарной структуры  коллагена следует, что расчленение его трехмерной структуры путем разрыва водородных связей приведет к образованию плоскостной (двухмерной) структуры, в которой пептидные цепи связаны друг с другом солевыми мостиками и другими возможными связями (по-видимому, ковалентными, вероятнее всего, пептидными).

В свою очередь, разрушение солевых мостиков в такой плоскостной структуре без нарушения пептидных связей в главных цепях, должно иметь следствием ее распад на частицы, состоящие из нескольких полипептидных цепей, связанных друг с другом оставшимися ковалентными связями.

Такой продукт распада  трехмерной структуры коллагена, состоящий из довольно крупных частиц (5—6 ковалентно связанных полипептидных цепей, должен обладать идеальной способностью к студнеобразованию. Он получен экспериментально и называется глютином.

Однако под действием горячей  воды в процессе выварки желатина и клея расщепляются не только водородные связи и солевые мостики, но частично и пептидные связи в главных цепях. Иначе говоря, одновременно с образованием глютина, т. е. пептизацией коллагена, начинается его гидролиз до более низкомолекулярных веществ, получивших название желатоз или глютоз. При этом выход высокомолекулярных и низкомолекулярных продуктов распада зависит от соотношения скоростей пептизации и гидролиза. При температурах, близких к температуре сваривания коллагена, преобладает процесс пептизации и образуются преимущественно высокомолекулярные продукты распада коллагена, которые и составляют желатин. С повышением температуры отношение скоростей пептизации и гидролиза меняется в пользу последнего.

Размеры частиц желатина достаточно крупны для того, чтобы желатиновый бульон обладал высокой способностью к застудневанию, а полученные из него студни были прочны.  Но он не обладает высокой клеящей способностью. Желатиновый раствор застудневает раньше, чем частицы прочно соединятся с поверхностью склеиваемого материала. Отсюда следует, что в составе продукта с хорошо выраженной клеящей способностью должно быть больше относительное количество менее крупных частиц, т. е. продуктов гидролиза глютина, чем в желатине. Но оно не должно быть чрезмерно большим, а размеры частиц слишком малыми, иначе резко уменьшится прочность связи частиц друг с другом в клеевом слое.

Таким образом, для получения хорошего желатина необходимы следующие условия:

  ослабление связей, удерживающих полипептидные цепочки в структуре коллагена, без существенного нарушения пептидных связей в самих цепочках;

снижение температуры сваривания коллагена;

мягкий режим выварки при  рН, близком к изоэлектрической точке  коллагена.

При этих условиях готовый продукт  состоит преимущественно из частиц с высокой молекулярной массой (от 10000 до 80000) и содержит незначительное количество низкомолекулярных фракций, растворимых в воде при температуре ниже 20° С. Эти высокодисперсные фракции, играют роль стабилизирующего фактора в структуре студня.

Товарный желатин почти прозрачен, слегка желтоват. Он содержит 11—16% воды. Плотность при содержании 13% влаги 1,37 г/см³. Изоэлектрическая точка желатина зависит от способа обработки сырья: при щелочной обработке она лежит в границах рН 4,7—5,0, при кислотной—в границах рН 8—9.

Нерастворимая в холодной воде часть  желатина набухает в ней, поглощая 5—15-кратное количество воды и образуя упругий студень. Гидратация желатина несколько меньше гидратации коллагена. Максимумы набухания желатина - при рН 2,5 и 11,7. Гидрофильность желатина обнаруживается в воде; в неполярных жидкостях и при длительном контакте с воздухом поверхность желатина становится гидрофобной. При повышении температуры студня желатин полностью растворяется.

 

Студнеобразование (желатинизация)

В растворе (бульоне) полярные группы частиц желатина образуют с диполями воды гидраты. Одновременно с возникновением гидратов частицы ассоциируются в более крупные образования - ассоциаты. Каждой температуре отвечает свое  равновесное   состояние   между   гидратами и ассоциатами. С понижением температуры оно сдвигается в сторону последних, а при достаточно низкой температуре, в зависимости от концентрации бульона и размеров частиц ассоциаты образуют сплошной пространственный тончайший каркас (сетку).

Каркас возникает благодаря  взаимодействию центров коагуляции, распределенных по концам частиц и в местах изгибов, т. е. там, где имеются полярные группировки, и там, где сосредоточен избыток поверхностной энергии. Такого рода коагуляционное структурообразование  называется  застудневанием (желатинизацией), а образующаяся дисперсионная система— лиогелем или студнем. Переход бульона в лиогель сопровождается изменением структурно-механических свойств системы: возникновением жесткости, прочности на сдвиг и характерной зависимости вязкости от величины действующего напряжения сдвига. Эти свойства обусловлены наличием в системе непрерывного каркаса сравнительно небольшой прочности.

Структурный каркас лиогеля отличается от жидкой фазы упругостью формы, которая проявляется в способности его к обратимым деформациям при напряжениях сдвига меньше предела упругости. Упругость формы обусловлена обратимой деформацией тех участков цепей, которые не вступают во взаимодействие друг с другом при возникновении каркаса. При напряжениях выше предела прочности структурный каркас испытывает необратимую деформацию в результате смещения частиц относительно друг друга и контактов между ними.

Большая часть воды вместе с растворимыми в ней частицами низкомолекулярных фракций оказывается включенной (иммобилизованной) в ячейках пространственного каркаса. Низкомолекулярные частицы, фиксируя своими полярными группами часть воды и взаимодействуя с полярными группами крупных частиц, обращенными внутрь ячейки, в свою очередь образуют еще более тонкую пространственную сетку внутри каждой ячейки. Другая часть воды удерживается как осмотически связанная, поскольку растворенные вещества создают повышенное осмотическое давление. Благодаря этому вода, количество которой во много раз превышает количество сухого вещества, оказывается довольно прочно связанной в структуре студня. Лиогель желатина и клея изотропен. Это указывает на отсутствие в нем преимущественной ориентации частиц.

Чем больше длина частиц, образующих каркас студня, тем меньше локальных связей требуется для прекращения их перемещения. Поэтому желатиновые бульоны застудневают быстрее клеевых и при более низкой температуре, а сами студни — прочнее. Температура, скорость застудневания и прочность студней - зависят от концентрации. Так, бульон с концентрацией 0,6% застудневает при 0° , 2-% ной концентрации -_ при 18—20° С, а 50%-ный при 35° С. Чем ближе рН бульона к изоэлектрической точке желатина  или клея, тем быстрее застудневание. Его скорость зависит также от наличия в бульоне посторонних веществ. Так, сульфаты  ускоряют, а хлориды замедляют ее, а в присутствии 5% солей кальция желатиновый бульон не застудневает вовсе.

С течением времени происходит «старение» студня вследствие изменения внутренних напряжений в системе, вызываемого перегруппировкой звеньев цепных молекул в каркасе студня. Наступает синерезис, т. е. самопроизвольное вытеснение воды в результате сокращения объема каркаса под действием сил сцепления непосредственно между частицами

Механизм склеивания

Прочность клеевого шва зависит  от величины адгезии частиц сухого клея к поверхности склеиваемого материала и величины когезии частиц клея друг к другу. Величина адгезии определяет прочность соединения клеевого слоя с поверхностью, величина когезии — прочность самого слоя.

Физическая природа сил адгезии  и когезии при склеивании древесины  одна и та же. Она подобна той, которая проявляется при взаимодействии частиц в структуре студня, с той лишь разницей, что в адгезии участвуют и частицы клея и частицы древесины. Вместе с тем на механизм склеивания оказывают влияние специфические условия образования клеевого шва.

При склеивании такого пористого материала, как древесина, клеевой раствор  затекает в поры материала и затвердевает внутри их. Поверхность адгезии дополняется внутренней поверхностью пор. Поэтому прочность клеевого шва зависит от пористости материала, с одной стороны, и скорости и глубины затекания клея в поры, с другой. Значит, прочность соединения клеевого слоя с поверхностью является также и функцией реологических свойств  клеевого раствора. В этом смысле чем меньше вязкость раствора и скорость его застудневания, т. е., чем меньше размеры частиц, тем лучше.

Однако с  уменьшением размеров частиц уменьшается  и величина когезии, а значит и прочность самого клеевого слоя. Это обусловлено не только механизмом взаимодействия частиц друг с другом, но и их вероятной ориентацией перпендикулярно клеевому шву. Последнее подтверждается тем фактом, что чем тоньше клеевой слой (вплоть до мономолекулярного), тем прочнее клеевой шов. Отсюда следует, что размеры частиц клея не должны быть меньше каких-то минимальных.

 

 

 

3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС

 

При существенных различиях в деталях  в целом технология желатина и  клея имеет много общего и состоит  из четырех основных этапов:

подготовка сырья к извлечению из него желатинизирующих или клеевых веществ;

извлечение из сырья желатинизирующих и клеевых веществ в виде водных растворов (бульонов);

очистка, концентрирование и подготовка бульонов к обезвоживанию сушкой;

сушка желатина или клея.

 

Характер подготовительных операций зависит от вида и состояния сырья, от вида и свойств вырабатываемой продукции и способа обезжиривания сырья.

Измельчение сырья

Обезжиривание, мацерация и золка  сырья, а также извлечение желатина или клея из сырья связаны с диффузионным обменом между обрабатываемым материалом и технологическим агентом (горячей водой или химическим реагентом). Процесс обменной диффузии между твердым материалом и окружающей его жидкостью складывается из трех фаз: обменной диффузии между поверхностью материала и окружающей жидкостью, диффузионно-осмотического процесса внутри материала и выравнивания концентрации диффундирующих веществ в окружающей среде.

Интенсивность переноса веществ внутри материала наименьшая, так как он осложняется рядом побочных явлений: осмосом, адсорбцией, капиллярностью. Поэтому продолжительность диффузионных процессов внутри образца определяется его толщиной.

Интенсивность обменной диффузии между  окружающей жидкостью и материалом зависит от поверхности раздела твердой и жидкой фаз. Поэтому продолжительность процессов, связанных с внешним переносом, зависит от удельной поверхности раздела фаз, т. е. от размеров частиц.

Следовательно, теоретически, чем  меньше размеры образца, тем  меньше продолжительность процесса. Но при этом возникает ряд осложнений: слеживание обрабатываемого материала, сложность отделения твердой фазы от жидкой, а отсюда потери  сырья. Кроме того, до сих пор еще не ясно влияние высокой степени измельчения сырья на качество получаемой продукции. Поэтому в технологической практике сырье измельчают до размеров, которые позволяют в наибольшей степени сократить продолжительность диффузионных процессов и избежать при этом указанных осложнений.