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超聲波分離技術(shù)
近年來，頻率超過400kHz的高頻超聲波已被廣泛用于各種應(yīng)用中，作為提高多組分混合物中食品材料回收率的手段。超聲波分離的前提是在不改變食品物理或化學(xué)完整性的情況下實(shí)現(xiàn)分離過程的顯著增強(qiáng)。超聲波駐波的應(yīng)用導(dǎo)致單個(gè)液滴或顆粒在反應(yīng)器中的壓力節(jié)點(diǎn)或鄰位角處的特定定位，這增加了它們更快地積累或聚結(jié)成更大實(shí)體的可能性。增加的粒徑促進(jìn)了浮選或沉降，從而增強(qiáng)了材料混合物分離的趨勢(shì)。本章將詳細(xì)介紹該技術(shù)背后的主要原理，以及如何將其應(yīng)用于現(xiàn)有的食品加工生產(chǎn)線。它將展示該技術(shù)在食品加工中的應(yīng)用，棕櫚油加工業(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(jiǎn)介
食品的超聲波加工已經(jīng)研究了很多年，應(yīng)用主要集中在20-100kHz的頻率范圍內(nèi)。這個(gè)區(qū)域通常被稱為"功率超聲波"區(qū)域。在這里，可能存在一種稱為聲空化的現(xiàn)象。超聲波將壓力波施加到液體上，導(dǎo)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(jié)和傳質(zhì)，這些氣泡會(huì)隨著時(shí)間的推移而通過，并在達(dá)到稱為共振大小的氣泡直徑時(shí)坍塌。坍塌事件的強(qiáng)度往往很高，導(dǎo)致溫度上升到10，000 K，在坍塌氣泡的局部空間中產(chǎn)生數(shù)百個(gè)大氣壓沖擊波。這些物理效應(yīng)可有效用于強(qiáng)剪切、混合和加熱，適用于乳化、均質(zhì)化、萃取或熱處理等食品加工應(yīng)用。
超聲波分離技術(shù)通常使用高頻超聲波（>0.4 MHz到幾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，劇烈空化氣泡破裂造成的剪切力增加和物理損傷幾乎可以忽略不計(jì)。首先，空化閾值隨著超聲頻率的增加而增加，從而降低了發(fā)生塌陷事件的概率。此外，氣泡破裂的共振大小也與聲波的頻率成反比。隨著共振大小的減小，氣泡坍縮事件的動(dòng)量減小，因此當(dāng)頻率大于1mhz時(shí)，這些坍縮事件變得相對(duì)良性。因此，超聲波分離不同于典型的超聲波加工應(yīng)用。其目標(biāo)是通過避免劇烈的氣泡破裂來實(shí)現(xiàn)"良性"處理。
食品系統(tǒng)中的分離技術(shù)
傳統(tǒng)的食品分離工藝包括離心、沉淀或澄清、化學(xué)誘導(dǎo)絮凝和膜過濾。這些分離過程是經(jīng)過驗(yàn)證且穩(wěn)定的操作方法。
盡管如此，他們?nèi)匀淮嬖谝恍撛诘膯栴}，包括但不限于以下內(nèi)容：
1.能耗高;
2.過度剪切可能會(huì)損害產(chǎn)品的完整性;
3.產(chǎn)品污染限制了產(chǎn)量或需要大量的清潔;
4.分離速度慢;
5.過度使用化學(xué)品。
超聲波波分離可以單獨(dú)使用，也可以與這些技術(shù)結(jié)合使用，以提高工藝效率。
在食品工業(yè)中，超聲波分離在三個(gè)主要方面有效：
首先是絮凝或聚集增強(qiáng)，即在現(xiàn)有的澄清或化學(xué)絮凝系統(tǒng)中應(yīng)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(shí)間和/或化學(xué)要求。它可以降低成本，增加吞吐量并減少生態(tài)足跡。
第二種方法是對(duì)上游食品配料進(jìn)行預(yù)處理或預(yù)處理，然后進(jìn)行分離操作。該策略在處理異質(zhì)性食品時(shí)特別有效，例如含有固體，液體和液體產(chǎn)品的食品。例如，壓碎的棕櫚果的果皮材料。超聲波的應(yīng)用不僅啟動(dòng)了材料的聚合，在下游澄清過程中分離速度更快，而且超聲波提供的溫和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)品回收率，并通過更快，更高效的下游分離來降低潛在的能源需求。結(jié)合離心分離等現(xiàn)有分離，可以節(jié)省大量能源。
最后，可以調(diào)整超音速分離參數(shù)（如頻率、功率水平和停留時(shí)間），以選擇性地去除特定大小的顆粒。因此，它可以用作分散在連續(xù)相中的食品配料的分餾工具。通過分餾成具有較高營(yíng)養(yǎng)或結(jié)構(gòu)益處的流，可以添加的成分包括：脂肪，蛋白質(zhì)，碳水化合物和纖維。因此，超聲波分離技術(shù)是對(duì)現(xiàn)有膜分離工藝的補(bǔ)充。
