超聲波液體均質(zhì)器 返回列表頁

超聲波液體均質(zhì)器是利用超聲波在液體中的空化作用及其他物理作用來達(dá)到均質(zhì)效果的。物理作用指的是超聲波可在液體中形成有效的攪動(dòng)與流動(dòng)破壞介質(zhì)的結(jié)構(gòu)、粉碎液體中的顆粒，主要是液體間碰撞、微相流和沖擊波導(dǎo)致顆粒表面形態(tài)變化?？栈饔檬侵冈诔暡ㄗ饔孟?，液體在強(qiáng)度較弱的地方產(chǎn)生空穴即小氣泡，小氣泡隨超聲脈動(dòng)，在一個(gè)聲周期內(nèi)，空穴會(huì)塌陷。超聲空化還會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的機(jī)械作用，在固體界面附近產(chǎn)生快速射流或聲沖流，在液體中產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊波。

超聲波是指聲波頻率大于20kHz的機(jī)械彈性波，波速一般為1500m/s，波長一般為0.01～10cm。超聲波是一種機(jī)械振動(dòng)在媒質(zhì)中的傳播過程，具有聚束、定向、反射和透射等特性，它在媒質(zhì)中主要產(chǎn)生2種形式的振動(dòng)即橫波和縱波，前者只能在固體中產(chǎn)生，而后者可在固、液、氣體中產(chǎn)生。

超聲波與媒質(zhì)的相互作用機(jī)制分為三種：熱機(jī)制、機(jī)械（力學(xué)）機(jī)制、空化機(jī)制。

熱效應(yīng)指超聲波在媒質(zhì)中傳播的過程中，其振動(dòng)能量不斷被媒質(zhì)吸收，并轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽棺陨頊囟壬?。聲能的吸收引起媒質(zhì)中整體的加熱、邊界外的局部加熱、空化形成激波時(shí)導(dǎo)致波前處的局部加熱等。超聲波強(qiáng)度愈大，熱作用愈強(qiáng)。

機(jī)械作用指超聲波是一種機(jī)械振動(dòng)能量的傳播形式，會(huì)在液體中形成有效的流動(dòng)與攪動(dòng)，導(dǎo)致介質(zhì)結(jié)構(gòu)的破壞，液體中的顆粒被粉碎，達(dá)到普通低頻機(jī)械攪動(dòng)所達(dá)不到的效果。超聲波的機(jī)械作用常被用于擊碎、凝集、切割等方面。

空化作用是指當(dāng)超聲波作用在介質(zhì)中時(shí)，其強(qiáng)度超過了某一空氣閥值時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生空化現(xiàn)象。

 工作原理

超聲波液體均質(zhì)器原理

空化作用是超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，液體中分子的平均距離隨著分子的振動(dòng)而變化，當(dāng)其超過保持液體作用的臨界分子間距時(shí)，即形成空化現(xiàn)象。超聲波空化作用分2種形式，穩(wěn)態(tài)空化（頻率200~500kHz，聲強(qiáng)<10W/cm2）和瞬態(tài)空化（頻率20 ~100kHz，聲強(qiáng)>10W/cm2）。穩(wěn)態(tài)空化在較低聲強(qiáng)作用下即可發(fā)生，氣泡在負(fù)壓半周期內(nèi)緩慢膨脹，在正壓半周期內(nèi)緩慢收縮但不致破裂，氣泡做周期性的、非線形的振蕩運(yùn)動(dòng)。穩(wěn)態(tài)空化氣泡壽命相對(duì)較長，空化程度較為緩和，對(duì)介質(zhì)微環(huán)境的影響較??；瞬態(tài)空化絕熱收縮至膨脹瞬間，泡內(nèi)可產(chǎn)生高溫高壓，破壞細(xì)胞結(jié)構(gòu)或破碎細(xì)胞，使酶失活。瞬態(tài)空化程度劇烈，使介質(zhì)形成多個(gè)局部的物理化學(xué)環(huán)境，對(duì)介質(zhì)微環(huán)境有較大影響。瞬態(tài)空化正是以這種特殊的能量形式加速了某些化學(xué)反應(yīng)，又為某些反應(yīng)啟動(dòng)了新的通道。

由超聲波發(fā)生器所發(fā)出的高頻振蕩訊號(hào)，通過換能器轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動(dòng)而傳播到介質(zhì)中，超聲波在溶液中疏密相間地向前輻射，當(dāng)聲波的壓強(qiáng)達(dá)到一定的大氣壓時(shí)，產(chǎn)生數(shù)以萬計(jì)的微小氣泡，這些氣泡在超聲波縱向傳播的負(fù)壓區(qū)形成、生長，而在正壓區(qū)迅速閉合。這種現(xiàn)象稱為超聲“空化作用”?？栈饔每捎糜诖龠M(jìn)化學(xué)反應(yīng)，粉碎液內(nèi)懸浮物，制造乳劑，殺滅細(xì)菌，或清洗機(jī)件等。超聲波均質(zhì)就是利用超聲波在液體中的空化作用達(dá)到物料均勻分散的效果。超聲波的均質(zhì)效果不僅與功率密度有關(guān)，而且與超聲頻率及超聲處理的時(shí)間有關(guān)。在適當(dāng)?shù)某曨l率下，在一定的時(shí)間內(nèi)可以用*小的功率密度達(dá)到理想的分散效果。

應(yīng)用領(lǐng)域

目前，超聲波均質(zhì)技術(shù)主要應(yīng)用于乳品。

自然狀態(tài)的牛奶，其脂肪球直徑大小不均勻，變動(dòng)于1～10μm 之間，一般為2～5μm[1]，這些脂肪球由于上浮力而浮在牛奶表面形成一層奶油層，使牛奶產(chǎn)生分層現(xiàn)象。這些脂肪球的存在大大影響了牛奶和奶制品的外觀和口感。如果將牛奶均質(zhì)，其脂肪球直徑可控制在2μm 左右，這時(shí)牛奶脂肪的表面積增大，上浮力下降，從而避免分層，達(dá)到均一化的效果。均質(zhì)的獨(dú)*果從外觀、口感等方面都使產(chǎn)品的質(zhì)量更上一層樓，因而均質(zhì)處理是牛奶制品前處理工藝中非常重要的一環(huán)。

原料乳經(jīng)均質(zhì)后乳品的外觀、口感、營養(yǎng)成分等品質(zhì)會(huì)有很大的改善，故均質(zhì)處理是乳制品前處理工藝中極其重要的環(huán)節(jié)（馬勇等，2006）。超聲波因空化及其他物理作用，對(duì)物料具有均質(zhì)的效果。已有許多研究報(bào)道了超聲波對(duì)牛乳的均質(zhì)效果。馬勇等人（2006）利用超聲波細(xì)胞粉碎機(jī)對(duì)0.5 kg牛奶進(jìn)行超聲處理。結(jié)果表明，牛奶溫度40 ℃下超聲均質(zhì)10 min的均質(zhì)效果。朱海清（2002）研究了超聲波對(duì)牛奶的均質(zhì)效果。在頻率為40 k Hz、功率密度為0.8 W/ cm2條件下超聲均質(zhì)1 min，脂肪球平均粒徑為0.584 µm，94 %的脂肪球粒徑小于1 µm，均質(zhì)效果*為理想。Schmidt（1985）研究了超聲波對(duì)牛奶的均質(zhì)效果。在60 ℃、20±1 k Hz的實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)4 m L低脂牛奶進(jìn)行均質(zhì)，處理后脂肪平均粒徑小于1 µm。Villamiel等（2000）應(yīng)用高強(qiáng)度超聲波對(duì)牛奶脂肪的影響進(jìn)行研究。超聲處理后，脂肪球粒度減小81.5 %。Wu等（2000）研究了超聲波對(duì)原料奶脂肪球的均質(zhì)作用。研究發(fā)現(xiàn)：與傳統(tǒng)均質(zhì)相比，高振幅超聲波對(duì)牛奶有更好的均質(zhì)效果。Ertugay和Sengul等（2004）研究了超聲波對(duì)牛奶的均質(zhì)效果。結(jié)果為在450 W超聲條件下超聲10 min，脂肪球直徑大小為0.725 µm；在180 W條件下10 min與傳統(tǒng)均質(zhì)效果相類似。研究表明與傳統(tǒng)方法相比，超聲波對(duì)牛奶有更好的均質(zhì)效果，且隨著均質(zhì)時(shí)間和超聲功率的增加，均質(zhì)效果也相應(yīng)的增加。Dhar等（1996）研究了超聲波對(duì)人奶的作用。發(fā)現(xiàn)超聲波與加熱相結(jié)合可以達(dá)到均質(zhì)和巴氏殺菌的雙重效果。Martinez等（1992）對(duì)來自42位母親的人奶進(jìn)行超聲波均質(zhì)，對(duì)Ig A和Ig G抗體、乳鐵蛋白和人乳中細(xì)菌含量的影響進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明，低溫超聲波均質(zhì)牛奶可以減少脂肪損失，且不破壞球蛋白Ig A、Ig G和乳鐵蛋白。

發(fā)酵乳制品因其豐富的營養(yǎng)價(jià)值和良好風(fēng)味，越來越受到人們的青睞。酸奶不僅能提供大量的鈣、磷、鎂、維生素A、核黃素，而且能夠提供大量對(duì)人體有益的微生態(tài)益生菌。在過去的30年來，酸奶產(chǎn)業(yè)增長迅速。為了保持快的增長速度，應(yīng)在酸奶加工技術(shù)、包裝、口感、質(zhì)地等方面有所創(chuàng)新?，F(xiàn)已有研究表明，經(jīng)超聲作用的牛奶，可以增加酸奶的粘度，在一定程度上改善乳品的品質(zhì)。如產(chǎn)酸穩(wěn)定，更易控制；在香氣、外觀形態(tài)、色澤、滋味等指標(biāo)中，超聲均質(zhì)酸奶在香氣及外觀形態(tài)等方面表現(xiàn)；可以提高乳糖轉(zhuǎn)化率，對(duì)乳糖不耐癥的人群來說意義非凡；發(fā)酵時(shí)間減少；增加酸奶持水力和黏度，減少脫水收縮作用等。

此外，對(duì)果汁、果醬、蛋黃醬、番茄醬及色拉油等被加工物料施以適當(dāng)強(qiáng)度的超聲波，可使液體中的分散相均質(zhì)，達(dá)到乳化的效果