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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，降低勞動強(qiáng)度。姚成燦等以工業(yè)糖液作為研究對象，對超聲波防除蒸發(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溶液與亞硫酸為對象，研究超聲作用對兩者反應(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，對流動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，會產(chǎn)生空化氣泡，氣泡的非線性振動及氣泡破滅時(shí)產(chǎn)生的壓力，會使體系各點(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