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1超聲波作用的機(jī)理

超聲波被研究應(yīng)用的領(lǐng)域十分廣泛，但是目前認(rèn)可的作用機(jī)理主要是以下幾個(gè)方面：

1.1強(qiáng)方向性超聲波是以縱波的形式在介質(zhì)內(nèi)傳播，具有頻率高、波長短的特點(diǎn)，在一定距離內(nèi)的直線方向上有很好的束射性和方向性。

1.2高能量、強(qiáng)穿透力超聲波比普通聲波具有更高的頻率，因此其具有高能量。雖然在空氣中超聲波衰減很強(qiáng)，但是在固體、液體中，衰減很小，因此，超聲波被廣泛應(yīng)用于固、液體中。

1.3“空化”效應(yīng)作用超聲波的輻射使被處理液體介質(zhì)直接產(chǎn)生大量的空穴和氣泡，也就是把液體拉裂而形成無數(shù)極微小的局部空穴。當(dāng)這些空穴和氣泡破裂或互相擠壓時(shí)，產(chǎn)生一定范圍的強(qiáng)大的激波，從而引起一些系列的二級(jí)反應(yīng)。應(yīng)用超聲波處理流體時(shí)，均與“空化”效應(yīng)作用相關(guān)。超聲波的物理機(jī)制和所引起的一系列物理化學(xué)作用對(duì)制糖工業(yè)是有相當(dāng)意義的，可應(yīng)用于制糖過程中蒸發(fā)罐的防除垢、車間部分箱罐的殺菌等。

2超聲波在制糖行業(yè)的應(yīng)用研究

2.1超聲波殺菌作用制糖生產(chǎn)中，由于甘蔗本身就帶有較多的細(xì)菌，在制糖生產(chǎn)過程中的溫度環(huán)境以及蔗糖分提取，使得在生產(chǎn)階段產(chǎn)生相當(dāng)多的微生物，消耗蔗糖，產(chǎn)生的酸性物質(zhì)加劇蔗糖的轉(zhuǎn)化，增加澄清、煮煉難度，堵塞一些設(shè)備的孔道，對(duì)整個(gè)制糖生產(chǎn)很不利。解決好制糖過程中的殺菌問題，尤其是壓榨工段，可以給企業(yè)帶來可觀的效益。一般，糖廠的殺菌動(dòng)作主要在壓榨提汁階段，采用的方法有：石灰、高溫蒸汽殺菌、二氧化氯。超聲波作為一種新興的殺菌技術(shù)已經(jīng)在乳制品行業(yè)、啤酒、果汁等其他食品行業(yè)得到應(yīng)用及認(rèn)可，在制糖工業(yè)中也進(jìn)行了一定實(shí)驗(yàn)應(yīng)用研究。超聲波殺菌技術(shù)主要是利用超聲波的“空化”作用引起的熱學(xué)效應(yīng)。超聲波對(duì)液體進(jìn)行作用時(shí)，因“空化”作用產(chǎn)生微小氣泡核在絕熱收縮及崩潰的瞬間，其內(nèi)部呈現(xiàn)5000℃以上的高溫及50000kPa的壓力，從而使液體中某些細(xì)菌致死，病毒失活，甚至使體積較小的微生物的細(xì)胞壁破壞，但是作用的范圍有限。影響超聲波殺菌技術(shù)的主要因素是振幅和頻率，其他的因素有：超聲波作用時(shí)間、滅菌溫度以及微生物本身的特性和滅菌的介質(zhì)環(huán)境。李巖等以混合汁為對(duì)象，采用超聲波殺菌技術(shù)進(jìn)行處理，結(jié)果表明：在超聲作用時(shí)間為30min，功率為500W，超聲作用溫度為35℃的條件下，超聲波對(duì)混合汁的滅菌率達(dá)到94.2%。東江糖廠的曾劍英采用超聲波對(duì)糖汁進(jìn)行殺菌處理，結(jié)果表明超聲波能取得良好的滅菌效果。

2.2超聲波除垢、防垢作用在制糖生產(chǎn)中，蒸發(fā)站是整個(gè)生產(chǎn)的熱能中心，其傳熱效率的高低影響整個(gè)廠的熱能效率。而影響蒸發(fā)過程效率的主要因素有：（1）傳熱效率；（2）操作情況，其中傳熱效率最為關(guān)鍵。對(duì)于制糖企業(yè)，傳統(tǒng)的除垢方法是人工通洗，必要時(shí)采用化學(xué)煮罐。人工通洗的方法由于采用高壓水因此存在較大的安全隱患，且勞動(dòng)強(qiáng)度大，清潔效果一般。超聲波作為一種新型高效而且效果好的除垢手段應(yīng)運(yùn)而生。超聲波除垢具有節(jié)能、免拆卸、無污染、使用簡單方便等特點(diǎn)。目前，超聲波除垢方法已經(jīng)得到了廣泛的認(rèn)可，在實(shí)驗(yàn)技術(shù)方面，超聲清洗機(jī)已經(jīng)成為一種常規(guī)的實(shí)驗(yàn)室清洗儀器；在工業(yè)技術(shù)方面，超聲波技術(shù)應(yīng)用于換熱設(shè)備，如凝汽器、鍋爐、空氣冷卻器等均取得了良好的效果。陸海勤等等使用自行設(shè)計(jì)的超聲場-靜電場協(xié)同防垢實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行模擬蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，在聲強(qiáng)0.53W/cm2、場強(qiáng)32kV/m時(shí)有很好的協(xié)同效果，防垢率為78.46%。碘釋放法研究表明，在靜電場中，超聲空化增強(qiáng)。謝彩鋒等通過比較研究在超聲作用下碳酸鈣晶體的形態(tài)和大小，結(jié)果表明，超聲空化效應(yīng)所產(chǎn)生的微觀熱量不僅能促進(jìn)過飽和溶液中碳酸鈣晶核的形成，迅速降低溶液的過飽和度，還能改變碳酸鈣晶體的形態(tài)；經(jīng)超聲處理的碳酸鈣過飽和溶液中形成了大量微小的碳酸鈣晶體，其中絕大部分為文石，少量為細(xì)小方解石，它們長時(shí)間懸浮在溶液中，超聲的機(jī)械效應(yīng)對(duì)碳酸鈣晶體形態(tài)的影響甚微。丘泰球等通過研究探討認(rèn)為，超聲波防垢除垢的機(jī)理是：（1）超聲處理可以縮短溶液中晶體的成核誘導(dǎo)期，提高晶核的生成速度，在溶液中迅速生成大量的微晶懸浮于溶液主體，晶粒長大速度減慢，成垢晶體不易沉積在管壁上，從而減少了積垢的形成；（2）超聲的空化與機(jī)械作用增大了積垢在溶液中的溶解度，破壞了已形成的積垢，使其松軟脫落；（3）超聲波還能改變生成的CaCO3晶體的形狀及大小，改變形成的積垢的堆積形狀，從而起到防垢的目的。丘泰球在糖廠進(jìn)行了超聲波防除垢的連續(xù)性生產(chǎn)應(yīng)用試驗(yàn)，結(jié)果表明超聲波具有減緩積垢形成速度和破壞已有積垢的雙重作用，能提高蒸發(fā)系統(tǒng)的傳熱系數(shù)0.6～0.8倍，停止使用化學(xué)清洗劑煮罐，縮短通洗時(shí)間短，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。姚成燦等以工業(yè)糖液作為研究對(duì)象，對(duì)超聲波防除蒸發(fā)罐積垢進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，超聲波可以降低積垢生成速率，提高蒸發(fā)罐的蒸發(fā)強(qiáng)度和傳熱系數(shù)，起到了良好的防垢除垢效果。艾承泗、俞明介紹了某一公司生產(chǎn)制造的超聲波節(jié)能器在糖廠的應(yīng)用實(shí)踐。自1996年，該設(shè)備先后在湛江糖廠、八一糖廠、弄璋糖廠等七家企業(yè)進(jìn)行了生產(chǎn)性應(yīng)用及改進(jìn)，取得了良好的防除垢效果，提高了蒸發(fā)效率，降低了通罐難度。

2.3超聲波在制糖工藝應(yīng)用研究隨著超聲波技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域的拓寬發(fā)展，形成了聲化學(xué)學(xué)科。聲化學(xué)主要是利用超聲波空化作用控制化學(xué)反應(yīng)，通過超聲波可以加速化學(xué)反應(yīng)，強(qiáng)化化工單元。超聲波在物質(zhì)提取、物理破碎、有機(jī)反應(yīng)等方面都有應(yīng)用研究。在制糖方面，利用超聲波強(qiáng)化糖分抽出率以及中和硫熏反應(yīng)等。王鴻生等通過超聲波作用圓形甜菜片的滲出過程，研究了超聲波對(duì)甜菜糖分滲出過程的影響。結(jié)果表明，在一定溫度下超聲波能強(qiáng)化甜菜糖分的滲出速率，影響超聲波作用的因素是超聲波強(qiáng)度和超聲作用時(shí)間。劉正西研究了不同超聲作用方式和功率對(duì)亞硫酸與氫氧化鈣中和反應(yīng)的影響。研究表明，一定超聲功率可以縮短亞硫酸鈣成核時(shí)間，提高中和反應(yīng)速度，能有效的降低溶液中Ca2+和SO32-的殘留量。趙小進(jìn)以飽和Ca（OH）2溶液與亞硫酸為對(duì)象，研究超聲作用對(duì)兩者反應(yīng)過程的影響，以超聲功率、超聲作用時(shí)間、超聲探頭深入反應(yīng)溶液距離作為影響因素。結(jié)果表明，超聲處理可以明顯減少溶液中Ca2+和SO32-的殘留量，且超聲作用下形成的CaSO3更細(xì)小、均勻。魯聿倫研究了超聲波對(duì)亞硫酸鈣吸附澄清作用的影響，以超聲波作用方式、超聲功率、超聲時(shí)間為作用因素。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：（1）對(duì)清汁色值的影響，在加入PAM后進(jìn)行超聲處理，超聲功率為260W，作用時(shí)間為30s的條件下，蔗汁脫色率為59.1%；（2）對(duì)清汁膠體含量的影響，在加入PAM后進(jìn)行超聲處理，超聲功率為195W，作用時(shí)間為30s的條件下，蔗汁膠體含量去除率為17.51%；（3）對(duì)清汁簡純度的影響，在加入PAM后進(jìn)行超聲處理，超聲功率為260W，作用時(shí)間為90s的條件下，蔗汁簡純度提高率為1.13%。黃永春等研究了超聲強(qiáng)化糖汁的電絮凝脫色作用，實(shí)驗(yàn)以赤砂糖配制的15°Bx的糖汁為對(duì)象，研究了該糖汁電解后靜置絮凝沉降、糖汁電解后超聲處理、超聲波協(xié)同糖汁電解處理對(duì)糖汁的脫色效果的影響，結(jié)果表明超聲波能夠促進(jìn)電解后糖汁的絮凝沉降過程。黃永春等研究制定了一種利用超聲波強(qiáng)化硫熏中和反應(yīng)的制糖澄清工藝方法，采用亞硫酸法澄清工藝，包括：預(yù)灰、一次加熱、硫熏中和、二次加熱、沉降以及強(qiáng)化硫熏中和反應(yīng)工序。將硫熏中和后的蔗汁通過超聲波處理器，對(duì)流動(dòng)的蔗汁施加超聲波場能，超聲波處理工序設(shè)置在硫熏中和工序之后、二次加熱之前或是在二次加熱之后、沉降工序之前，超聲波強(qiáng)化處理的超聲波的強(qiáng)度是0.5W/cm～10W/cm；強(qiáng)化處理的時(shí)間為1s～300s。該方法能提高蔗汁中和反應(yīng)速度和反應(yīng)程度，提高脫色效果、降低清汁殘硫量。

2.4超聲波結(jié)晶技術(shù)超聲波促進(jìn)成核結(jié)晶過程的機(jī)理還不清楚，但是多數(shù)認(rèn)同超聲波“空化”效應(yīng)的作用。超聲波結(jié)晶的過程中，一方面，在飽和溶液中附加聲場，會(huì)產(chǎn)生空化氣泡，氣泡的非線性振動(dòng)及氣泡破滅時(shí)產(chǎn)生的壓力，會(huì)使體系各點(diǎn)的能量發(fā)生變化，體系的能量起伏很大，使分子間的作用力降低，從而使得溶液粘度降低，而溶質(zhì)分子間的碰撞幾率增加促進(jìn)成核；另一方面，當(dāng)氣泡破滅時(shí)除了產(chǎn)生壓力外，還產(chǎn)生氣泡云霧狀，降低界面能，使得新生表面的晶核質(zhì)點(diǎn)變得較為穩(wěn)定，得以繼續(xù)長大為晶核。介紹了80年代華南理工大學(xué)研究人員發(fā)明的“溶劑——超聲波協(xié)同起晶器”和“五一—智能投粉固晶儀”，更將“五一煮糖法”推進(jìn)一步，發(fā)展到包括起晶、養(yǎng)晶、濃縮的煮糖全過程。超聲波協(xié)同起晶技術(shù)在南北兩地都進(jìn)行了生產(chǎn)實(shí)踐應(yīng)用。在甘蔗糖廠方面，高大維等制定溶劑—超聲波協(xié)同起晶制種法，并在廣東的新橋糖廠和順德糖廠進(jìn)行生產(chǎn)試用。用該法制得的晶核代替球磨機(jī)糖粉投種，蔗糖結(jié)晶生長過程平穩(wěn)、偽晶較少、洗砂次數(shù)減少，煮出的乙種和成品糖砂粒齊、閃光度好、色值和濁度都有一定程度下降；煉糖時(shí)則可大大減少乙糖高純度起種而引起的粘晶現(xiàn)象。在甜菜糖廠方面，利用“溶劑——超聲波協(xié)同起晶制種法”及貫徹煮糖“全晶種養(yǎng)晶法”新工藝的基本過程和初步應(yīng)用，在生產(chǎn)應(yīng)用后縮短了煮糖時(shí)間，降低了能耗，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，簡化了操作方式。但是采用超聲波協(xié)同制備得到的晶種存在存放條件要求較高、晶種穩(wěn)定性以及設(shè)備安全性、人員配套等問題，在生產(chǎn)應(yīng)用方面得不到推廣。

3小結(jié)與展望

經(jīng)過近些年的研究發(fā)展，超聲波技術(shù)的應(yīng)用更加廣泛了，已經(jīng)成熟并工業(yè)化應(yīng)用的有超聲探傷、焊接技術(shù)、超聲結(jié)晶技術(shù)以及超聲清洗技術(shù)、超聲醫(yī)療技術(shù)；而超聲協(xié)同反應(yīng)技術(shù)等其他方面的應(yīng)用研究則是處于實(shí)驗(yàn)研究階段。超聲波在制糖工業(yè)中的研究應(yīng)用已經(jīng)有：殺菌、防垢、起晶種等，但是只有超聲波協(xié)同起晶以及超聲波防除垢進(jìn)行了工業(yè)化應(yīng)用，其他還處于試驗(yàn)研究階段。而由于穩(wěn)定性等種種原因，超聲波協(xié)同起晶的制種方法已經(jīng)退出；相反，超聲波防除垢技術(shù)依然有很大研究前景，尤其是對(duì)于蒸發(fā)罐積垢很困擾的亞硫酸法糖廠。超聲波在其他技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用也可以運(yùn)用于制糖生產(chǎn)中。超聲波還可以應(yīng)用于泡沫浮選，利用超聲波輔助，可以減小氣泡的大小，提高氣泡的穩(wěn)定性，從而提供浮選效率。超聲波設(shè)備具有價(jià)格低、設(shè)備穩(wěn)定、非接觸式的特定，可用于過程生產(chǎn)中物料箱的料位測定以及物料、蒸汽等的流量測定。除了拓寬超聲波技術(shù)在制糖行業(yè)的應(yīng)用范圍外，超聲波技術(shù)在制糖行業(yè)的工業(yè)化應(yīng)用研究還有相當(dāng)長的路要走。

作者：閉安青曾波尹雪洋藍(lán)蘇梅單位：廣西糖業(yè)工程院