Ультразвук и его влияние на продукт

При коагуляции пузырьков газа в жидкости происходит полное их слияние с уничтожением разделявших их границ, так что в этом случае имеет место более глубокая стадия процесса — ультразвуковая коалесценция.

При определенных условиях в поле ультразвукового излучения возникает кавитация.

Кавитационные пузырьки образуются в тех местах, где давление в жидкости становится ниже некоторого критического значения Рк (в реальной жидкости Ркр приблизительно равно давлению насыщенного пара этой жидкости при данной температуре).

Если понижение давления происходит вследствие больших местных скоростей в потоке движущейся капельной жидкости, то кавитацию называют гидродинамической, а если вследствие прохождения акустических волн — акустической. В этом случае под кавитацией понимают разрыв сплошности жидкости, сопровождаемый образованием мельчайших пузырьков, наполненных паром и газами, содержащимися в жидкости.

При захлопывании кавитационных пузырьков возникают ударные волны с большой амплитудой давления. Эти механические усилия являются причиной разрушительного действия ультразвука.

Кавитационные полости образуются при определенной интенсивности звука. Минимальная интенсивность звука, при котором возникает кавитация в водопроводной воде, составляет 0,16—2 Вт/см2 при частоте 15 кГц. Это является кавитационным порогом.

Возникновение кавитации сильно зависит от вязкости жидкости; с увеличением вязкости увеличивается кавитационный порог.

Значительную роль в возникновении и развитии кавитации играют зародышевые центры, представляющие собой микропузырьки газов и паров, а также мельчайшие взвеси неоднородных включений в жидкости.

Наличие таких зародышей уменьшает прочность жидкости, значительно снижая усилие разрыва сплошности.

Предельно чистые жидкости, из которых, кроме того, удален газ, не подвержены кавитации.

Наиболее интенсивно кавитация развивается на границе раздела сред с различными удельными акустическими сопротивлениями. Так, граница раздела между водой и воздухом вследствие очень большой разницы в волновых сопротивлениях представляет собой практически непреодолимую преграду для ультразвука. При этом волны отражаются в противофазе, что приводит к возникновению растягивающих усилий, которые и вызывают интенсивную кавитацию.

С увеличением температуры жидкости уменьшается необходимый порог звукового давления, достаточного для возникновения кавитации. Эта зависимость не имеет линейного характера, что связано с изменением вязкости.

Соотношение между вязкостью жидкости з и звуковым давлением Рс имеет следующий вид:

Неоднозначность протекания процессов при акустических методах создает существенные трудности при выборе метода обработки.

Например, наличие кавитации при ультразвуковой обработке интенсифицирует ряд процессов: эмульгирование, диспергирование и другие. В то же время при этом усиливаются нежелательные окислительно-восстановительные реакции, возникающие при контакте продукта с продуктами распада перекиси водорода, образующимися в зоне кавитации.

В присутствии кислорода кавитация приводит к разрушению ферментов и к потере ими активности. При достаточной мощности ультразвука химически изменяются и разрушаются аминокислоты; возможен переход одних аминокислот в другие, например, серина в глицин. Крахмал де-полимеризуется до декстринов, а при достаточно интенсивном и длительном озвучивании — до моносахаридов.