超聲波分離技術原理

近年來，頻率超過400kHz的高頻超聲聲波作為一種提高多組分混合物中食品材料回收率的手段已被廣泛用于各種應用中。超聲分離的前提是在不改變食品的物理或化學完整性的情況下，實現(xiàn)對分離過程的顯著增強。超聲波駐波的應用導致單個液滴或顆粒在反應堆內壓力節(jié)點或波腹處的特定定位，這增加了它們更快地聚集或聚結成較大實體的可能性。增加的顆粒尺寸促進浮選或沉降，因此增強了材料混合物的分離傾向。本章將詳細介紹該技術背后的主要原理以及如何將其應用到現(xiàn)有食品加工生產(chǎn)線中。將展示該技術在食品加工中的應用，展示棕櫚油加工行業(yè)的商業(yè)成功以及乳制品和生物制品的未來潛力。

超聲波分離簡介

食品的超聲波加工已經(jīng)研究多年，應用主要集中在20-100kHz的頻率范圍內，這一區(qū)域通常被稱為“功率超聲"區(qū)域。這里，可能會出現(xiàn)一種稱為聲空化現(xiàn)象。超聲波向液體中施加壓力波，導致溶液中現(xiàn)有的溶解氣體形成膨脹和收縮的氣泡。由于聚結和傳質，這些氣泡將隨時間推移，當達到稱為共振尺寸的氣泡直徑時，就會坍塌。坍塌事件往往強度高，導致溫度上升至10,000 K，在坍塌氣泡的局部空間內產(chǎn)生數(shù)百個大氣壓的壓力沖擊波。這些物理效應可以有效地用于強烈的剪切、混合和加熱，并適用于食品加工應用，如乳化、勻化、萃取或熱處理。

超聲波分離技術通常使用高頻超聲（> 0.4 MHz至幾MHz）來分離懸浮在液體中的食物液滴和/或顆粒。在這些較高的頻率下，由于劇烈的空化泡破裂，導致的增強的剪切和物理破壞，幾乎可以忽略不計。首先，空化閾值隨著超聲頻率的增加而增大，使得坍塌事件發(fā)生的可能性降低。此外，氣泡破裂的共振尺寸也與聲波頻率成反比。隨著共振尺寸的降低，氣泡崩塌事件發(fā)生的動量減小，以至于在頻率大于1mhz時，這些坍塌事件變得相對良性。因此，超聲分離不同于典型的超聲處理應用，它的目標是通過避免劇烈的氣泡破裂來實現(xiàn)“良性"處理。

食品系統(tǒng)中的分離技術

傳統(tǒng)的食品分離工藝包括離心、沉淀法或澄清法、化學誘導絮凝法和膜過濾法。這些分離過程是行之有效的和穩(wěn)定的操作方法。

盡管如此，它們還存在一些潛在的問題，包括但不限于以下幾點：

1. 能源消耗高；

2. 過度剪切可能損害產(chǎn)品的完整性；

3. 產(chǎn)品污染限制了產(chǎn)量或需要大量清洗；

4. 分離速度慢；

5. 過度使用化學品。

超聲波分離可以單獨使用，也可以與這些技術結合使用來提高工藝效率。

在食品工業(yè)中，超聲波分離有效的三個主要方面：

• 第一種是絮凝或聚集增強，即在現(xiàn)有的澄清或化學絮凝系統(tǒng)中應用超聲波駐波可以顯著提高分離發(fā)生的速率，從而減少停留時間和/或化學要求。可以實現(xiàn)降低成本，提高吞吐量和降低生態(tài)足跡。

• 第二種方法是對上游的食品原料進行預處理或預先處理，然后再進行分離操作。這一策略在處理異質食物方面特別有效，例如含有固體、液體和液體產(chǎn)物的食物。例如被粉碎的棕櫚果的果皮材料。超聲波的應用不僅引發(fā)了材料的聚合, 在下游澄清過程中分離速率更快, 而且超聲波提供的溫和的物理剪切可以幫助釋放更多的產(chǎn)品。這可以提供更高的固相產(chǎn)物回收率，并通過更快和更有效的下游分離降低潛在的能量需求。 與離心分離等現(xiàn)有分離相結合，可以節(jié)省大量能源。

• 最后，可以調整兆聲波分離參數(shù)（例如頻率，功率水平和停留時間），以選擇性地去除特定尺寸的顆粒。因此，它可以被用作分散在連續(xù)相內的食品成分的分餾工具。通過分餾成具有更高營養(yǎng)或結構效益的流，可能增加的成分包括：脂肪、蛋白質、碳水化合物和纖維。為此，超聲分離技術是對現(xiàn)有膜分離工藝的補充。

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