Аквакультурные корма, произведенные методом экструзии, обычно «100% тонущие» или «100% плавающие» (Рисунок 1). Но иногда небольшая часть продукта демонстрирует отклонения от нормы. Некоторые гранулы, вместо того, чтобы плавать, тонут, либо наоборот. Связанная с этим проблема контроля качества, заключается в том, что на момент проверки корм тонет, как и должен, однако, спустя несколько дней, часть корма становится плавучей. Это, так называемый, феномен тонущих и плавающих гранул.

Закон Архимеда гласит, что выталкивающая сила, действующая на погруженный объект, эквивалентна массе вытесненной жидкости. Это означает, что объект плавает, когда его плотность ниже плотности жидкости, и тонет, когда выше. В нашем случае важна плотность каждой гранулы. Однако производители кормов пользуются более традиционной мерой – плотностью партии. Плотность партии напрямую зависит от плотности гранул, но также связана с особенностями расположения гранул в контейнере образце (Рисунок 2). Плотность партии непрямая, неточная мера плотности гранул, но этот параметр легко измерить (Таблица 1).

Таблица 1. Целевые показатели для плотности партии (кг/м3)

Характеристика	В морской воде (3% соли)	В пресной воде
Быстро тонет	>640	<600
Медленно тонет	580-600	540-560
Нейтральная плавучесть	520-540	480-520
Плавающие	<480	<440
Плотность воды (20C)	1042	1000

Процесс прямого расширения

Плотность гранулы (и, соответственно, партии) определяется в процессе экструзии, через прямое расширение, которое обеспечивает пористость внутренней структуры гранул (Рисунок 3).

Экструзионный расплав пропускают через фильеру под высоким давлением и (обычно) температурой. Как только расплав проходит фильеру, жидкость в продукте преобразуется в пар, что приводит к быстрому расширению. Прямое расширение можно разделить на три этапа. Этот процесс схематично представлен на рисунке 3 и подробно обсуждается в работе Forte и Young, 2016.

Трансформация структуры из расплава в твердую массу проходит при определенной температуре, называемой температурой стеклования (Tg). Эта температура зависит от состава и, что более важно, влажности смеси. Пример кривой фазового перехода для кукурузного крахмала представлен на рисунке 4. Показана температура плавления, Tm.

Вследствие динамической природы экструзионного процесса, поток расплава неоднородный. Это приводит к вариабельности размера гранул, Рисунок 5. Степень контроля за процессом отражает степень вариации размера гранул.

Процесс сушки гранул

Другим важным этапом производства корма является сушка гранул (пост-экструзия). Сушка приводит к желаемому уровню влажности, а точнее, градиенту влажности гранул. Они очень сухие снаружи и влажные внутри (Рисунок 6).

Если сушка проводится очень агрессивно, короткое время, при высокой температуре или скорости, продукт имеет очень сильную усадку. Ядро гранулы, горячее, сохраняющее расплавленное состояние, сдавлено наружным сухим слоем (Рисунок 7). Это может привести к чрезмерному напряжению внутри гранулы.

С течением времени, во время сушки, градиент влажности выравнивается (Рисунок 8a). Влага мигрирует к поверхности, общая влажность остается прежней, но поверхность увлажняется и смягчается (снижется температура стеклования). В зависимости от степени усадки, которая отмечалась ранее, остаточное напряжение может ослабевать, поэтому гранулы разбухают. Разбухание обычно длится 2-3 дня. Хотя визуально не заметно, но влияет ли оно на феномен тонущих/плавающих гранул?

Влияние изменения размера гранул на плотность гранул

Плотность гранул (для цилиндрических гранул) определяется как:

ρP = m/Vp = m/[πR2L]

Рассмотрим пример. Данные получены от случайного образца работающего экструдера:

Целевой диаметр гранулы, D = 8.0 мм

Радиус, R = 4.0 мм

Целевая длина гранулы, L = 12.0 мм

Объем гранулы, Vp = 603.2 мм3

Масса собранного образца, M = 330 г

Число собранных гранул, # = 510

Отсюда, средняя масса гранул, m = 0.65 г на гранулу

Средняя плотность гранул, ρP = 1072.7 кг/м3

Гранулы с правильной геометрией и, соответственно, правильной плотностью гранул, тонут в пресной и морской воде. Что произойдет, если геометрия гранул изменится вследствие усадки или набухания?

Допустим радиус гранул возрастет на δR = 3% (всего 0.12 мм), тогда объем гранул возрастет до Vp = 639.9 мм3. Плотность гранул составит ρP = 1011.2 кг/м3, они тонут в пресной, но будут плавать в морской воде. Если длина гранул возрастет на δL = 6% (всего 0.72 мм), тогда объем гранул возрастет до Vp = 639.4 мм3. Плотность гранул составит ρP = 1012.0 кг/м3, они тонут в пресной, но будут плавать в морской воде.

Эти маленькие, визуально незаметные изменения размера гранул (особенно радиуса), вследствие процессов прямого расширения или сушки, ведут к существенному изменению плотности гранул от тонущих к плавающим.

Заключение

Незначительные изменения геометрии гранул, особенно радиуса, приводят к существенным изменениям плотности гранул и, поэтому, определяют плавучесть.

Динамическая природа прямого расширения в процессе экструзии обуславливает распределение гранул по размеру. Степень контроля процесса определяет диапазон этого распределения. Поэтому плохой контроль приводит к тому, что даже в условиях корректной плотности партии некоторые гранулы тонут, а некоторые плавают.

Кроме того, плохой контроль сушки приводит к развитию внутренних напряжений, которые вызывают набухание гранул через несколько дней после производства. Отсюда, гранулы, которые тонули непосредственно после производства, становятся плавучими чрез несколько дней.

——

Dennis Funk. Understanding Sink/Float Phenomenon in aquadeeds. Aquafeed. vol 10. issue 1. 2018