XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

Ультразвук может быть эффективно использован в разнообразных технологиях и производствах АПК, добыче и переработке сырья, в технологиях получения материалов и веществ, обеспечивая при этом защиту окружающей среды и улучшение качества готовых изделий путем интенсификации традиционных технологических процессов. Во многих случаях возможна стыковка ультразвукового оборудования с уже действующим оборудованием и технологическими процессами. Ультразвуковые преобразователи легко встраиваются в уже работающее технологическое оборудование, что дает возможность модернизации существующего производства. Доказано, что ультразвуковые технологии позволяют получать значительный экономический эффект при относительно небольших капиталовложениях.

Так, хранение молока в замороженном виде известно давно. Но известно и то, что после размораживания оно меняет вкус и консистенцию – выделяется жир, появляются хлопья. Если же пастеризованное молоко обработать ультразвуком, а потом заморозить, то его можно хранить длительное время, поддерживая температуру минус 12 °С. Размороженное, оно ничем практически не отличается от того, каким оно было до замораживания [1].

При изготовлении порошкового молока тоже применим ультразвук. Свежее молоко замораживают до минус 16°С, а затем обрабатывают ультразвуковыми колебаниями. Порошок, полученный таким способом, хранится дольше, чем порошок, полученный методом выпаривания. Кроме того, он изготавливается быстрее. Ультразвук способен уничтожать микроорганизмы, увеличивая срок годности продукта [2].

Ультразвук — упругие, механические колебания с частотами, лежащими за пределами человеческого слуха, в диапазоне от 20 кГц и до 1 ГГц, способные распространяться в газообразных, жидких и твёрдых средах [3].

Нижняя граница перехода звуковых колебаний в ультразвуковые условна. Верхний предел частоты слышимого звука индивидуален для каждого человека и в среднем колеблется от 15 до 20 кГц. Многие физические явления, свойственные низкочастотному ультразвуку, при достаточной мощности проявляются уже у наиболее высоких звуков слышимого диапазона [4].

Воздействие ультразвуковых колебаний на жидкие среды проявляется в виде так называемого «ультразвукового ветра» — постоянного перемещения частиц обрабатываемой среды под воздействием акустических потоков в этих средах, что приводит к их интенсивному перемешиванию и ускорению диффузионных процессов и может значительно ускорить многие химические и биотехнологические процессы [5]. Кроме того, одним из важнейших ультразвуковых явлений, проявляющимся при облучении различных жидких сред ультразвуком мощностью более 1 Вт/см2, является ультразвуковая кавитация — обусловленное ультразвуковым давлением возникновение пульсирующих и захлопывающихся полостей размером менее 0,1 мм, называемых кавитационными пузырьками, заполненных парами этой среды и содержащимися в ней газами [3]. Под воздействием ультразвуковой кавитации интенсифицируются различные механохимические реакции, имевшие место в среде до воздействия ультразвука, а также инициируются специфические звукохимические реакции, в основе которых лежит механизм разрыва химических связей и образования свободных радикалов [4].

Получение механических колебаний ультразвуковой частоты чаще всего осуществляется с помощью специальных пьезокерамических материалов, изменяющих свои геометрические размеры под действием прикладываемого к ним переменного высокочастотного электрического напряжения. На этом принципе основана работа различных универсальных ультразвуковых агрегатов, которые получают всё более широкое применение на молочных предприятиях [6]. Так, в устройстве [7] для ультразвуковой обработки молока использованы пьезоисточники ультразвуковых излучений кольцевой формы (рисунок 1). При этом расстояние между источниками ультразвуковых воздействий и стенкой молокопровода кратны длине полуволны ультразвука.

Рисунок 1 - Устройство для ультразвуковой обработки молока

Пьезоисточники 1 ультразвуковых излучений кольцевой формы с наружным излучением собраны в виде вертикального полого цилиндра и стянуты по оси стержнем 2 через верхнюю 3 и нижнюю 4 накладки, верхние диск 5 и шайбу 6, нижние диски 7 и 8, барашком 9. Верхняя часть стержня 2 имеет крюк 10 для подвески устройства. Уплотнение цилиндра достигается прокладками 11 между кольцами 1 пьезоисточника и резонансной мембраной 12 в виде шланга с тонкими стенками из эластичной пищевой резины. Внутри полого цилиндра размещается высокочастотный кабель от высокочастотного генератора, подающий ток на ультразвуковые излучатели 1. Устройство для ультразвуковой обработки молока обеспечивает повышение производительности и качества обработки молока при одновременном упрощении конструкции и повышении удобства эксплуатации.

Ультразвук способен не только уничтожать микроорганизмы, но и, при определенных условиях, может значительно ускорять их рост и развитие. Это свойство позволяет ускорять процессы ферментации и брожения. Скорость этих процессов может быть увеличена в десятки раз. Ультразвуковые методы могут применяться и в молочной промышленности для интенсификации процессов молочнокислого брожения и ускорения кислотонакопления в производстве различных ферментированных молочных продуктов, для чего можно использовать и уже существующее на молочных предприятиях ультразвуковое оборудование [3, 7].

При обработке сырья ультразвуком появляется возможность отказаться от применения стабилизаторов и консервантов или значительно снизить их количество в готовом продукте [8]. При этом ультразвук – это абсолютно безвредный, экологически чистый «инструмент» эффективной интенсификации процессов переработки молока, способный улучшить качество продукции при одновременном снижении ее энергоемкости – основного показателя энергоэффективности всего производства.

Литература

Беззубцева М.М., Волков В.С. Электротехнологии и электротехнологические установки в АПК. – СПб: СПбГАУ, 2012.-242 с.

Хмелёв В.Н., Попова О.В. Многофункциональные ультразвуковые аппараты и их применение в условиях малых производств, сельском и домашнем хозяйстве: монография. Барнаул:Изд-воАлтГТУ,1997.160с.

Акопян В.Б., Ершов Ю.А. Основы взаимодействия ультразвука с биологическими объектами: Учеб. пособие / Под ред. С.И.Щукина. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2005. 224с.

Макеев В.Н., Лобанов А.В., Зверев С.В. Ультразвуковые гомогенизаторы в молочной промышленности // Переработка молока. 2006. № 8. С. 22-23.

Зверев С.В., Лобанов А.В. Ультразвуковая техника в молочной промышленности // Переработка молока.2005.№1.С. 10.

Родионова А. В. Описание изобретения к патенту № 2510850 РФ. Устройство для ультразвуковой обработки молока.

Обработка сырья и продуктов с помощью ультразвукового экстрактора. / ФГУП НИИ «Мир-продмаш» // Пищевая промышленность. 2005. № 12. С. 39.

Попова Н.В. Инновации в технологии восстановления сухого молока как фактор управления качеством восстановленных продуктов переработки молока // Вестник ЮУрГУ. Экономика и менеджмент. 2013. № 4. Т. 7. С. 181-186.