超声波分离技术

时间：2022-01-11

近年来，频率**过400 kHz的高频超声波已被广泛用于各种应用中，作为提高多组分混合物中食品材料回收率的手段。超声波分离的前提是在不改变食品物理或化学完整性的情况下实现分离过程的显着增强。超声波驻波的应用导致单个液滴或颗粒在反应器中的压力节点或邻位角处的特定定位，这增加了它们更快地积累或聚结成更大实体的可能性。增加的粒径促进了浮选或沉降，从而增强了材料混合物分离的趋势。本章将详细介绍该技术背后的主要原理，以及如何将其应用于现有的食品加工生产线。它将展示该技术在食品加工中的应用，棕榈油加工业的商业成功以及乳制品和生物制品的未来潜力。

超声波分离

超声波分离简介

食品的超声波加工已经研究了很多年，应用主要集中在20-100kHz的频率范围内。这个区域通常被称为"功率超声波"区域。在这里，可能存在一种称为声空化的现象。超声波将压力波施加到液体上，导致溶液中现有的溶解气体形成膨胀和收缩的气泡。由于聚结和传质，这些气泡会随着时间的推移而通过，并在达到称为共振大小的气泡直径时坍塌。坍塌事件的强度往往很高，导致温度上升到10，000 K，在坍塌气泡的局部空间中产生数百个大气压冲击波。这些物理效应可有效用于强剪切、混合和加热，适用于乳化、均质化、萃取或热处理等食品加工应用。

超声波分离技术通常使用高频超声波（>0.4 MHz到几MHz）来分离悬浮在液体中的食物液滴和/或颗粒。在这些较高的频率下，剧烈空化气泡破裂造成的剪切力增加和物理损伤几乎可以忽略不计。首先，空化阈值随着超声频率的增加而增加，从而降低了发生塌陷事件的概率。此外，气泡破裂的共振大小也与声波的频率成反比。随着共振大小的减小，气泡坍缩事件的动量减小，因此当频率大于1mhz时，这些坍缩事件变得相对良性。因此，超声波分离不同于典型的超声波加工应用。其目标是通过避免剧烈的气泡破裂来实现"良性"处理。

食品系统中的分离技术

传统的食品分离工艺包括离心、沉淀或澄清、化学诱导絮凝和膜过滤。这些分离过程是经过验证且稳定的操作方法。

尽管如此，他们仍然存在一些潜在的问题，包括但不限于以下内容：

1.能耗高;

2.过度剪切可能会损害产品的完整性;

3.产品污染限制了产量或需要大量的清洁;

4.分离速度慢;

5.过度使用化学品。

超声波分离可以单独使用，也可以与这些技术结合使用，以提高工艺效率。

在食品工业中，超声波分离在三个主要方面较有效：

首先是絮凝或聚集增强，即在现有的澄清或化学絮凝系统中应用超声波驻波可以显着提高分离发生的速率，从而减少停留时间和/或化学要求。它可以降低成本，增加吞吐量并减少生态足迹。

*二种方法是对上游食品配料进行预处理或预处理，然后进行分离操作。该策略在处理异质性食品时特别有效，例如含有固体，液体和液体产品的食品。例如，压碎的棕榈果的果皮材料。超声波的应用不仅启动了材料的聚合，在下游澄清过程中分离速度更快，而且超声波提供的温和物理剪切可以帮助释放更多的产品。这可以提供更高的固相产品回收率，并通过更快，更高效的下游分离来降低潜在的能源需求。结合离心分离等现有分离，可以节省大量能源。

最后，可以调整**音速分离参数（如频率、功率水平和停留时间），以选择性地去除特定大小的颗粒。因此，它可以用作分散在连续相中的食品配料的分馏工具。通过分馏成具有较高营养或结构益处的流，可以添加的成分包括：脂肪，蛋白质，碳水化合物和纤维。因此，超声波分离技术是对现有膜分离工艺的补充。

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