книги из ГПНТБ / Рогов И.А. Физические методы обработки пищевых продуктов

ми. При необходимости один из роторов можно оборудовать зубьями, что улучшает обработку твердой фазы.

Принцип работы магнитострикционных преобразователей ос­ нован на изменении линейного размера некоторых ферромагнит-

Рис. 226. Механический генератор колебаний.

ных металлов и сплавов под действием переменного магнитного поля. Этот эффект обратим, т. е. при последовательном сжатии и растяжении в этих материалах возникает переменное магнит­ ное поле. К материалам, обладающим выраженным эффектом магнитострикции, относят сплавы: инвар (36% Ni, 64% Fe),

500

стержне помещена катушка, создающая переменное магнитное поле, под действием которого стержень, последовательно сжи­ маясь и растягиваясь, создает колебания. Чтобы не происходило удвоения частоты, стержень подмагничивается с помощью внеш­ него постоянного магнита.

Основную собственную частоту упругих колебаний / (Гц) стержня длиной L, укрепленного посредине, определяют из уравнения

(V—20)

где Е — модуль упругости материала стержня; р — плотность материала;

L — длина стержня.

В практике часто используют кольцевые магнитострикционные преобразователи. При этом роль магнитостриктора выпол­ няет трансформатор, собранный из одинаково вырубленных пластин ферромагнитного материала. Трансформатор снабжен двумя обмотками: возбуждения и подмагничивания. В такой конструкции используется эффект отражения ультразвука. С этой целью внутренняя часть пластин покрыта губчатой рези­ ной. Для такого излучателя основную часть рассчитывают по формуле

В пищевой промышленности получили распространение гид­ родинамические преобразователи, принцип действия которых заключается в том, что движущаяся под давлением струя жид­ кости, попадая на острый край необтекаемого препятствия, соз­ дает около него завихрения, следующие один за другим. При этом возникает чередование перепадов давлением, имеющих ха­ рактер звуковых волн. Схема такого преобразователя показана на рис. 228, а.

В этом устройстве струя жидкости, проходя через сопло, раз­ бивается об острый край пластины, которая закреплена с двух сторон. Колебания пластины создают два пучка ультразвуковых волн, перпендикулярных поверхности пластины. Свисток в ре­ зонанс настраивают, изменяя расстояние между пластиной и

501

соплом. Для жидкостного свистка собственную частоту колеба­ ний пластины / (Гц) вычисляют из уравнения

где б — толщина пластины; I — длина пластины;

Е— модуль упругости;

р— плотность материала пластины.

Излучатель марки УГТ-Д (рис. 228, б) состоит из трубы,, переходящей в сопло, расположенных в кронштейне, переме­ щающихся в направляющих. Резонансная пластина крепится на конце направляющих. При помощи регулирующего устрой­ ства можно добиваться наилучшей настройки прибора. Такой из­ лучатель создает интенсивность от 1 до 2 Вт/см2 при частоте 10— 15 кГц 120].

При гомогенизации молока используют пакетный гидродина­ мический излучатель [2 ], который состоит (рис. 228, в) из кор­ пуса, колебательной системы и сопла для подачи молока к ко­ лебательной системе. Сопло представляет собой трубу с концентрично установленным внутри вытеснителем. Колебательная

Рис. 228. Гидродинамические излучатели:

а — жидкостный свисток конструкции Яновского и Польмана: / — сопло; 2 — струя жидкости; 3 — пучок ультразвуковых волн; 4 — пластина; 5 — точки закрепления

пластинки;

502

-система состоит из пакета пластин прямоугольной формы толщи­ ной 0,6—0,7 мм. Пластины заполняют внутреннюю полость ка­ меры, расположены вдоль ее продольной оси и установлены на крестообразной державке, жестко связанной с отражательной плоскостью. Расстояние между пластинами 6—7 мм.

Для получения высоких частот и ультразвука максимальной интенсивности используют пьезоэлектрические преобразователи. Прямой пьезоэффект — это возникновение зарядов на гранях кристаллов некоторых веществ, при их растяжении и сжатии. ■Обратным пьезоэффектом, т. е. механическими колебаниями кристалла под действием переменного электрического поля, пользуются для получения ультразвуковых колебаний. Пьезо­ электрическим эффектом обладают естественные и искусствен­ ные кристаллы: кварц, сегнетова соль,турмалин, титанат бария и др. Сегнетова соль обладает значительно большим пьезоэф­ фектом, чем кварц, но использование ее ограничено высокой растворимостью соли в воде, а также малой механической проч-

в — пакетный: / — корпус; 2 — колебательная система; 3 — сопло.

503

ностыо. Кристаллы кварца обладают анизотропностью. Для по­ лучения продольных волн используют кварцевые пластины х-сре- за, т. е. вырезанные из кристалла кварца перпендикулярно по­ лярной оси х. Для получения поперечных колебаний применяют пластины «/-среза. Эти пластины используют крайне редко. Тол­ щина пластин предопределяет собственную частоту колебаний пластин х-среза.

Для расчета собственной частоты колебаний можно исполь­ зовать формулу

цовая пластина, кроме контролирующего элемента, выполняет функцию отражателя ультразвука. Так как отражение прои­ сходит в соответствующей фазе, амплитуда резонансных колеба­ ний увеличивается в 2 раза.

В последнее время распространение получили пластины из титаната бария, обладающие большим, чем у кварца, пьезо­

504

электрическим модулем1, что позволяет при значительно мень­ ших напряжениях (в десятки и сотни раз) получать тот же эф­ фект, что и у кварца.

Из титаната бария можно делать пластины практически лю­ бой геометрической формы (рис. 229, б), поэтому создается условие для создания излучателей, фокусирующих ультразвук. Если интенсивность ультразвуковых колебаний у поверхности титаната бария составляет 3—6 Вт/см2, то, используя фокуси­ рующие системы, удается получить интенсивность в несколько тысяч ватт на квадратный сантиметр. Недостатком излучателя из титаната бария является высокий уровень диэлектрических потерь (г = 1000ч-1700), что приводит к потере пьезоэлектри­ ческих свойств, обусловленных переориентацией диполей. Пьезо­ электрические свойства излучателя восстанавливаются повтор­ ной поляризацией. Кроме того, излучатели из титаната бария можно использовать, как правило, при температурах не выше 120° С, это до известной степени ограничивает их применение. Пьезоэлектрические излучатели имеют к.п.д. 40—50%.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ УЛЬТРАЗВУКА

Пищевые продукты представляют собой неодно­ родные гетерогенные среды, в силу чего воздействие ультразвука на них будет чрезвычайно многообразным.

Под действием механических колебаний коллагеновые волок­ на мышечной ткани мяса разрушаются, мясо становится нежным и мягким. Для этого предварительно замороженное мясо помеща­ ют в рассол, где генерируются ультразвуковые колебания. Воз­ можен также непосредственный контакт мяса с источником ульт­ развука [106].

Ультразвуковая обработка шкур при тузлуковании сокраща­ ет процесс в 2—3 раза, при этом резко улучшаются санитарногигиенические условия, однако прочностные свойства шкуры несколько снижаются. Шкуры обрабатывали при частоте 95 и 300 кГц. В обоих случаях наблюдалась очистка поверхности шкур от микроорганизмов. По сравнению со шкурами, консер­

1 Изменение геометрических размеров кристалла Дл: представляет со­ бой произведение приложенного к кристаллу напряжения Е на постоян­ ную для данного кристалла величину d, называемого пьезоэлектрическим модулем

Ах - dE.

Так, для пластины кварца х-среза rf = 6,4-10_s, а для пластины титаната бария d = (5504-750) 10-8.

505

вированными обычным способом, количество микрофлоры умень­ шается в 15—20 раз. При тузлуковании шкур с помощью ульт­ развука с частотой 21 кГц [16, 89] и мощностью 2—4 Вт/см2' при жидкостном коэффициенте 1 : 8 удалось показать, что про­ цесс протекает в 2,3—2,6 раза быстрее. Ультразвуковое тузлукование ускоряет выход балластных белков.

Б. И. Никитиным предложен способ использования ультра­ звука для-снижения силы удерживаемости оперения в тушках, птицы.

Под действием ультразвука происходит гемолиз крови, при­ чем оптимальная частота составляет 100 кГц [98]. Ультразвук, ускоряет диффузионные процессы, резко ускоряется посол мяса,, при этом наблюдается частотная зависимость процесса обработки с максимумом на 750 кГц.

Положительные результаты получены при ультразвуковом! извлечении жира из кости. Выход жира и его качество были выше по сравнению с тепловым методом [28]. Механическое раз­ рушение жировых клеток ультразвуком было использовано также для извлечения жира из мягкого животного сырья при температуре 37° С. С этой целью к измельченному жиросыр ыодобавляют 20—30% подсоленной теплой воды, а затем подвер­ гают воздействию ультразвука.

Значительный интерес представляет собой проблема исполь­ зования ультразвука для объективного определения упитанно­ сти животных. Принцип действия такого рода ультразвуковых приборов основан на измерении времени прохождения ультра­ звуковых волн через слой шпика или мышечной ткани и времени прохождения отраженных импульсов от поверхности раздела слоев до приемной головки аппарата. В головке прибора рас­ положены два преобразователя: первый является источником ультразвука, а второй— приемником. Скорость звука в шпике составляет 1450—1700 м/с [7]. Отраженные ультразвуковые им­ пульсы преобразуются в электрические сигналы и подаются на пластины осциллографа, градуировка шкалы которого позволя­ ет определить длину пути, пройденного импульсом, т. е. факти­ ческую толщину шпика. Точность показаний такого прибора при измерении толщины шпика ±0,33 см.

Бактерицидное действие ультразвука зависит от интенсив­ ности звука и кавитации. При высокой интенсивности звука распад бактериальной клетки происходит чрезвычайно быстро (1/1200 с). Под действием ультразвука быстро погибают грамположительные и грамотрицательные анаэробные и аэробные, патогенные и непатогенные бактерии [77, 99]. Весьма чувстви­ тельны к ультразвуку палочковидные, кокковые, лучистые гриб­ ки и другие микроорганизмы. Следует отметить, что бактери­ цидный эффект ультразвука проявляется тем сильнее, чем мень­

506

ше концентрация микроорганизмов. Кроме того, на бактерицид­ ное действие влияет состав дисперсионной среды. Так, в молоке

•бактерицидное действие ультразвука тем ниже, чем выше содер­ жание липоидов, углеводов и особенно белков.

Диспергирующая и эмульгирующая способность ультразву­ ка весьма ценна для пищевой технологии, так как, используя это явление, удается получать различные гомогенизаты и стой­ кие эмульсии. Интересные работы в этой области проводятся по использованию ультразвука для приготовления эмульсии типа майонезов, а также маргарина. В мясной промышленности этот метод используют при получении жировых эмульсий, пред­ назначенных для колбасного производства [30, 74]. Если доба­ вить жировую эмульсию в фарш сосисок и сарделек, то повыша­ ется его влагоудерживающая способность и обеспечивается бо­ лее строгое соотношение составляющих компонентов (белок, жир, вода). Кроме того, применение жировых эмульсий позво­ ляет перерабатывать на колбасные изделия размороженное мясо без предварительной выдержки его в посоле.

Получение эмульсий на сахаре с помощью ультразвука для производства сахарного печенья в промышленных условиях дало положительный результат [50]. Аналогичны результаты при ис­ пользовании для гомогенизации молока гидродинамических виб­

При оценке действия ультразвука на пищевые продукты не следует забывать о возможном химическом действии его [98], причем в ряде случаев это действие может быть положительным, иногда— отрицательным. Так, под воздействием кавитации в водных средах может образовываться перекись водорода, кото­ рая при распаде выделяет атомарный кислород. При взаимодей­ ствии с жирами кислород ухудшает их свойства.

При обработке ультразвуком в молоке в некоторых случаях появляется привкус топленого молока. Кроме того, при наличии в водной среде азота и серы возможно образование сернистой и азотистой кислот, хотя и в ничтожных концентрациях.

Ультразвук способен оказывать определенное деполимеризующее действие. Особенно интенсивно оно в коллоидных раст­ ворах. Даже кратковременное облучение коллоидного раствора желатина приводит к значительному уменьшению структурной вязкости. Однако после прекращения действия колебаний раствор восстанавливает свои свойства. При малых длинах волн разные части крупных молекул, например белков, будут нахо­ диться в разных зонах .действия волны. Это может привести к разрыву молекул, а следовательно, к изменению первоначальных свойств продукта. Так, при обработке ультразвуком миозина

507

уменьшается вязкость раствора, что указывает на деструкцию молекул белка. Одновременно с этим отмечается небольшое сни­ жение АТФ-азной активности.

ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

Аэрозоли представляют собой газовые неодно­ родные системы с различным составом дисперсной фазы (туманы, пыли и т. д.) и разным размером частиц. Достаточно полное раз­ деление таких систем либо с целью очистки, либо для получения ценного продукта представляет техническую трудность. Извест­ но, что под действием упругих колебаний среды происходит сли­ пание (коагуляция) взвешенных в газообразной среде частиц. Этот принцип используется при ультразвуковой очистке газо­ вых неоднородных систем.

Существует ряд теорий акустической коагуляции аэрозолей, однако ни одна из них не может считаться всеобъемлющей. Воз­ можно, что механизм коагуляции меняется в зависимости от раз­ мера частиц и их концентрации в аэрозоле. Эффективность ув­ лечения акустическими колебаниями взвешенных в газе частиц тем выше, чем меньше частота колебаний, размер частиц и плот­ ность среды и чем больше вязкость среды [6, 44, 87], т. е. при увеличении частоты и размера частиц начинают сильно сказы­ ваться инерционные свойства частиц, в связи с чем амплитуда их колебаний уменьшается. В системах с различным дисперс­ ным составом частицы неодинакового размера колеблются с раз­ личными амплитудами и фазами по отношению к колебаниям частиц газа. Соотношение амплитуд колебаний частицы и газо­ вой среды для поля стоячих волн можно определить из уравнения

А,

Различие в фазах колебаний частиц и газовой среды опреде­ ляется углом сдвига фаз

1

Ф = (V—25) tg 44fr*\

9р )

508

Следует учитывать, что при размерах частиц менее 3 мкм в уравнении (V—24) нужно ввести следующий поправочный множитель к закону Стокса:

Из формулы (V—25) следует, что произведение/г2 будет опре­ делять степень участия частицы в колебаниях данной среды. На рис. 230, а представлен график зависимости A J Аг от ра-

Рис. 230. Показатели разделения газовых неоднородных систем в ультра­ звуковом поле:

диуса частиц при разных частотах. Из рис. 230 можно устано­ вить, что с уменьшением размера частиц амплитуда их возраста­ ет и приближается к амплитуде газовой среды. При A J A C> > 0,8 движение частиц происходит в фазе с движением среды,

мала.

Интенсивность звукового поля определяет эффективность звуковой коагуляции. Существует минимум интенсивности (по­ роговый уровень), характеризующий начало коагуляции — 0,1—0,15 Вт/см2. Для аэрозоля каждого вида существует свой оптимум частот, лежащий в пределах 1—50 кГц.

Собственно процесс коагуляции зависит еще от формы частиц, их адгезионных свойств, состояния поверхности и др.

Процесс акустической коагуляции необходимо рассматривать с учетом сил взаимного притяжения между колеблющимися час­

509