tổng quan tài liệu về ứng dụng siêu âm trong công nghệ thực phẩm

Tổng quan tài liệu về ứng dụng kỹ thuật siêm âm trong thực phẩm SV: Trần Thò Ngọc Lành -1- GVHD: ThS Lại Quốc Đạt CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT SIÊU ÂM 1.1. Khái niệm cơ bản về siêu âm [1, 2, 11] Âm thanh là kết quả của sự lan truyền năng lượng âm trong vật chất dưới dạng một sóng tạo nên hiện tượng nén giãn lập đi lập lại. Chuyển động vật lý hạn chế của các phần tử trong vật chất tạo nên những sóng có áp lực giúp âm thanh được truyền đi. Những biến đổi áp lực đó được biểu thò dưới dạng sóng hình sin (hình 1.1) trong đó trục Y chỉ áp lực tại một thời điểm nào đó và trục X chỉ thời gian. Hình 1.1 : Sóng âm thanh. Âm thanh truyền đi như một chuỗi các sóng áp lực lập đi lập lại với hiện tượng nén giãn của môi trường. [2] Trong tự nhiên, tần số âm thanh trải rộng từ 1 Hz đến 100.000 Hz (100 kHz), và dãy âm sử dụng được chia ra thành các vùng sau (hình 1.2): Tổng quan tài liệu về ứng dụng kỹ thuật siêu âm trong thực phẩm SV: Trần Thò Ngọc Lành -2- GVHD: ThS Lại Quốc Đạt Hình 1.2 : Dãy tần số âm [11] Như vậy, tùy theo số dao động của phân tử có chu kỳ mà ta có thể phân biệt được âm, hoặc siêu âm: Âm có tần số dao động dưới 18 000 chu kỳ/ giây (hay gọi là tần số 18 000 Hz) Siêu âm có tần số dao động trên 18 000 Hz  Vậy: siêu âm là những sóng dao động cơ học có tần số cao trên 18 000 Hz, tai người không thể nghe được. Siêu âm thường được ứng dụng trong thực phẩm là vùng 20 kHz – 100 kHz 1.2. Phương pháp tạo siêu âm [11, 15] Yêu cầu đầu tiên trong quá trình nghiên cứu ứng dụng của kỹ thuật siêu âm trong thực phẩm là nghiên cứu phương pháp tạo siêu âm. Bất kì một dụng cụ thương mại nào cũng tuân theo nguyên lý chung, đó là năng lượng được phát ra sẽ truyền qua máy biến năng siêu âm – một thiết bò chuyển các năng lượng cơ học hoặc năng lượng điện thành năng lượng âm. Có 3 loại máy biến năng siêu âm được sử dụng phổ biến nhất là: máy biến năng chất lỏng, máy biến năng điện từ, máy biến năng áp điện Tổng quan tài liệu về ứng dụng kỹ thuật siêu âm trong thực phẩm SV: Trần Thò Ngọc Lành -3- GVHD: ThS Lại Quốc Đạt 1.2.1. Máy biến năng chất lỏng (Liquid-driven transducer) [11, 15] Nguyên lý : chất lỏng (Liquid whistles) được đẩy qua một khe hẹp và va đập vào tấm bản mỏng, làm tấm bản mỏng rung động. Ứng với mỗi chuyển động rung thì tấm bản mỏng sẽ tạo ra một sóng áp suất và sẽ tạo bọt trong chất lỏng, hoạt động này tương tự như hoạt động của chân vòt của tàu. Việc phát ra liên tiếp áp lực và tạo bọt trong thể tích chất lỏng thì tấm bản mỏng sẽ phát ra một nguồn năng lượng. Hình 1.3: Máy biến năng chất lỏng [15] 1.2.2. Máy biến năng điện từ (Magnetostrictive transducer) [11, 17, 18] Máy biến năng điện từ sử dụng nguyên lý sau: đó là các vật liệu sẽ bò nén giãn khi được đặt vào vùng điện từ. Cấu tạo : loại máy biến năng này được xem như là một dạng của solenoid với vật liệu từ tính làm lõi. Lõi được cấu tạo từ nhiều lớp mỏng niken hoặc hợp kim của nó (hoặc các vật liệu từ tính khác) xếp song song với nhau và được quấn xoắn ốc quanh bằng cuộn dây đồng. Một cạnh của mỗi lớp mỏng nikel sẽ cùng được gắn với một bề mặt khác (hoặc gắn vào đáy của bồn xử lý) , bề mặt này sẽ rung dưới tác động của từ trường (hình 1.4) Tổng quan tài liệu về ứng dụng kỹ thuật siêu âm trong thực phẩm SV: Trần Thò Ngọc Lành -4- GVHD: ThS Lại Quốc Đạt Nguyên tắc hoạt động: năng lượng điện xoay chiều được phát từ máy phát điện siêu âm sẽ đi vào máy biến năng điện từ. Đầu tiên năng lượng điện này sẽ được chuyển thành trường điện từ do các cuộn dây quấn. Sau đó trường điện từ sẽ được sử dụng để tạo ra các dao động rung cơ học tại tần số siêu âm. Vì có dòng điện chạy qua các cuộn dây thì nó sẽ sinh ra trường điện từ, trường điện từ này sẽ làm các vật liệu từ tính nén giãn, từ các dao động cơ học đó nó sẽ truyền sóng âm vào môi trường. Do các vật liệu từ tính đều biến đổi giống hệt nhau trong trường điện từ, nên tần số của năng lượng điện đầu vào của máy biến năng điện từ sẽ bằng ½ của tần số đầu ra Nhược điểm của phương pháp này : máy biến năng điện từ năng lượng cao ít khi hoạt động ở tần số trên 100 kHz và hệ thống này chỉ dụng hiệu quả 60% năng lượng điện, còn lại chúng thất thoát ra ngoài dưới dạng nhiệt do đó chúng cần có hệ thống làm mát bên ngoài (do nó phải chuyển năng lượng điện thành năng lượng từ rồi chuyển năng lượng từ thành năng lượng cơ học, mỗi quá trình chuyển đều gây thất thoát năng lượng lớn), ngoài ra hiện tượng trễ cũng làm giảm hiệu quả sử dụng máy biến năng điện từ Ưu điểm chính của hệ thống là chúng có cấu trúc cứng chắc và chòu được áp lực hoạt động lớn ` Hình 1.4: Máy biến năng điện từ Tổng quan tài liệu về ứng dụng kỹ thuật siêu âm trong thực phẩm SV: Trần Thò Ngọc Lành -5- GVHD: ThS Lại Quốc Đạt 1.2.3. Máy biến năng áp điện (Piezoelectric transducer) [1, 11] Đây là thiết bò được sử dụng rộng rãi nhất. Nó biến đổi trực tiếp năng lượng điện thành năng lượng rung cơ học thông qua việc sử dụng các vật liệu áp điện. Phát siêu âm dựa trên hiệu ứng áp điện do Currie khám phá từ năm 1880. Hiệu ứng này chỉ xảy ra đối với một số vật chất tự nhiên mang tính áp điện dưới tác dụng của nguồn điện 1.2.3.1. Hiệu ứng áp điện Là khả năng biến đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học (âm, siêu âm) và ngược lại của một số chất Ví dụ: dùng tấm thạch anh rất mỏng cắt thẳng góc với trục điện F của tinh thể, kẹp giữa 2 điện cực và nối với dòng điện cao thế. Dưới tác dụng của điện từ trường xoay chiều làm cho tấm thạch anh co dãn và rung động. Tần số rung động phụ thuộc vào bề dày của tấm thạch anh và hiệu thế của dòng điện. Hiệu thế dòng điện 1 vôn làm cho tấm thạch anh co dãn 1 picromet (10 -10 cm) không tạo ra rung động được. Muốn bản thạch anh rung động phải có hiệu thế 1000 vôn. Tần số rung động của bản thạch anh cao hay thấp sẽ phát ra dao động cơ học có tần số tương ứng. Nếu dao động cơ học phát ra có tần số trên 18000 Hz thì tai người không nghe được gọi là siêu âm. Ngược lại nếu có một nguồn âm vang (sóng dao động cơ học) có tần số trên 18000 Hz sẽ làm cho bản thạch anh co giãn, rung động theo tần số tương ứng và sẽ phát ra dòng điện. Dòng điện này được thu lại biến đổi thành tín hiệu âm Tổng quan tài liệu về ứng dụng kỹ thuật siêu âm trong thực phẩm SV: Trần Thò Ngọc Lành -6- GVHD: ThS Lại Quốc Đạt B A BA T TT Hình 1.5 : Sơ đồ mô tả hiệu ứng áp điện [1] A: Khi chưa đóng nguồn điện, tấm thạch anh T chưa chòu tác động của từ trường điện làm cho co dãn. Không phát sinh hiệu ứng áp điện B: Khi đóng nguồn điện tấm thạch anh T co giãn, rung động tạo ra siêu âm, hay ngược lại nếu tác động năng lượng làm co giãn tấm thạch anh sẽ tạo ra nguồn điện 1.2.3.2. Các vật liệu mang tính áp điện Các vật liệu này thường ở dạng tinh thể tự nhiên như: thạch anh,loại kết tinh đa diện ceramic như bariumtitanate, chì titanate zirconate, chì metaniobate. Các chất này có thể tán thành bột và ép lại thành khuôn đã đònh để thực hiện trong kỹ nghệ đầu dò phát siêu âm 1.2.3.3. Nguyên lý cấu tạo đầu dò siêu âm áp điện Đầu dò siêu âm bao gồm một đơn vò tinh thể có tính áp điện để trong một buồng làm bằng chất nhựa. Đơn vò tinh thể là một tấm mỏng thạch anh hoặc barium titanate (tuỳ theo từng loại) được nối 2 cực dòng điện của máy. Trong buồng nhựa còn chứa một môi trường hỗ trợ nhằm đònh hướng nguồn siêu âm phát ra (môi trường này sẽ hấp thụ nguồn siêu âm phát ngược lại). Tuỳ theo chiều dày của thạch anh và hiệu thế dòng Tổng quan tài liệu về ứng dụng kỹ thuật siêu âm trong thực phẩm SV: Trần Thò Ngọc Lành -7- GVHD: ThS Lại Quốc Đạt điện sẽ tạo ra độ rung động khác nhau, tạo ra nguồn siêu âm có tần số khác nhau, nếu chiều dày 1mm tương ứng với tần số 2 MHz. Hình 1.6 : Sơ đồ đầu dò phát siêu âm (một đơn vò áp điện) [1] 1. Dây cáp dẫn dòng điện 2. Vỏ bọc bằng nhựa 3. Dây nối đất, nối vào điện cựuc 4. Dây điện cao thế nối vào điện cực 5. Dây nối vào điện cực đầu dò 6. Chất bổ trợ hấp thụ siêu âm phát trở lại phía sau 7. Điện cực áp hai bên bản thạch anh 8. Bản thạch anh 9. Bản bảo vệ trước đầu dò Cấu tạo máy biến năng áp điện: tâm của máy biến năng áp điện là một hay hai đóa mỏng vật liệu áp điện ceramic, tiêu biểu là Lead Zirconate Titanate (PZT). Chúng được kẹp giữa hai cực dòng điện. Vật liệu ceramic còn bò ép chặt bởi 2 khối kim loại Tổng quan tài liệu về ứng dụng kỹ thuật siêu âm trong thực phẩm SV: Trần Thò Ngọc Lành -8- GVHD: ThS Lại Quốc Đạt (một nhôm, một thép). Khi áp dòng điện vào 2 cực, thì sẽ có dòng điện tới ceramic, nó sẽ bò giãn hoặc co lại tuỳ vào cực, và tạo ra một sóng âm (hình 1.7) Hình 1.7 : Cấu tạo máy biến năng áp điện Hiệu ứng áp điện xảy ra 2 chiều: do đó người ta có thể dùng đầu phát siêu âm làm đầu thu. Khi thu sóng âm vang gặp tấm thạch anh sẽ tạo nên độ co dãn rung động và phát ra dòng điện. Tín hiệu điện được thu vào 2 diện cực và biến đổi khuếch đại đến dao động ký thành tín hiệu nhìn được. Hiện nay người ta dùng chất áp điện Barititanat Zicornate để làm đầu dò vì hệ số áp điện của chất này cao hơn thạch anh 300 lần, chỉ cần hiệu điện thế 100 vôn cũng đủ làm cho bản Barititanat Zicornate co giãn và rung động 1.3. Hệ thống siêu âm [11] Một hệ thống siêu âm gồm có 3 phần cơ bản: máy phát điện siêu âm, máy biến năng siêu âm, và hệ thống truyền siêu âm (hình 1.8). Tổng quan tài liệu về ứng dụng kỹ thuật siêu âm trong thực phẩm SV: Trần Thò Ngọc Lành -9- GVHD: ThS Lại Quốc Đạt Hình 1.8 : Hệ thống đầu dò siêu âm [11] 1.3.1. Máy phát điện siêu âm [11] Máy phát điện siêu âm sẽ chuyển dòng điện xoay chiều từ hệ thống điện thông dụng là 50 hoặc 60 Hz đến một năng lượng điện siêu âm Hình 1.9 : Máy phát điện siêu âm 1.3.2. Máy biến năng siêu âm Là một thiết bò chuyển năng lượng điện cao tần thành năng lượng siêu âm. Có 3 loại máy biến năng siêu âm được sử dụng phổ biến nhất là: máy biến năng chất lỏng, máy biến năng điện từ, máy biến năng áp điện, như đã trình bày ở phần 2 (các phương pháp tạo siêu âm) Tổng quan tài liệu về ứng dụng kỹ thuật siêu âm trong thực phẩm SV: Trần Thò Ngọc Lành -10- GVHD: ThS Lại Quốc Đạt 1.3.3. Hệ thống truyền siêu âm [11] Hệ thống này giúp truyền năng lượng siêu âm đến môi trường cần xử lý, đây cũng là một bộ phận rất quan trọng. Trong trường hợp bồn siêu âm thì máy biến năng sẽ được đặt dưới đáy của bồn và nó sẽ truyền siêu âm trực tiếp vào trong môi trường lỏng chứa trong bồn. Tuy nhiên trong hệ thống siêu âm năng lượng cao thì năng lượng âm phải được khuếch đại và được dẫn tới dung dòch cần xử lý bằng một hệ thống gắn vào máy biến năng có hình dạng sừng kim loại như hình 1.8. Sau một thời gian sử dụng thì phía đầu của sừng này sẽ bò mòn và sẽ làm giảm hiệu quả làm việc của nó. Vì vậy trong thực tế người ta sẽ thiết kế phần đầu của thiết bò sừng này có thể thay thế được hình 1.8 1.4. Tính chất sóng siêu âm [1, 2] Cũng như âm, siêu âm cũng được biểu thò qua các chỉ số: tần số, bước sóng, chu kỳ, cường độ, tốc độ lan truyền,… 1.4.1. Tần số dao động Là số chu kỳ dao động/1 giây 1.4.2. Bước sóng Là độ dài của một chu kỳ dao động, nếu tần số càng cao thì bước sóng càng ngắn 1.4.3. Tốc độ lan truyền của siên âm Là độ dài mà siêu âm lan truyền trong một đơn vò thời gian (giây) Như vậy tần số siêu âm, bước sóng và tốc độ lan truyền đều liên quan mật thiết với nhau theo công thức: f V = λ Trong đó: λ : Bước sóng (m) V: Tốc độ lan truyền(m/s) f: Tần số (hz) [...]... ứng dụng làm tăng khả năng truyền nhiệt và truyền khối trong nhiều quá trình (Ensminger,1998; McClement,1995; Simal, benekito, Sanchez,& Rossello,1998) SV: Trần Thò Ngọc Lành -17- GVHD: ThS Lại Quốc Đạt Tổng quan tài liệu về ứng dụng kỹ thuật siêu âm trong thực phẩm CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG KỸ THUẬT SIÊU ÂM TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM Siêu âm là một lónh vực đang được nghiên cứu và phát triển nhanh trong công. .. độ chùm siêu âm phát ra λ : bước sóng r: đường kính nguồn siêu âm phát SV: Trần Thò Ngọc Lành -13- GVHD: ThS Lại Quốc Đạt Tổng quan tài liệu về ứng dụng kỹ thuật siêu âm trong thực phẩm Do các hiện tượng trên nguồn siêu âm càng đi xa càng suy giảm và cường độ càng kém đi 1.4.8 Cường độ siêu âm Biểu thò bằng năng lượng siêu âm tạo ra trong một đơn vò diện tích tính bằng w/cm2 Cường độ siêu âm phụ thuộc... hưởng đến âm vang phản xạ, vì thế hết sức tránh hiện tượng khúc xạ Hiện tượng khúc xạ siêu âm phụ thuộc vào góc tới của chùm siêu âm và tốc độ siêu âm qua môi trường được biểu thò trong công thức: sin α 1 V1 = sin α 2 V2 α 1 :góc tới SV: Trần Thò Ngọc Lành -12- GVHD: ThS Lại Quốc Đạt Tổng quan tài liệu về ứng dụng kỹ thuật siêu âm trong thực phẩm α 2 : góc khúc xạ V1, V2: tốc độ siêu âm trong môi trường... dụng sóng siêu âm để xác đònh kích thước SV: Trần Thò Ngọc Lành -20- GVHD: ThS Lại Quốc Đạt Tổng quan tài liệu về ứng dụng kỹ thuật siêu âm trong thực phẩm phân bố các hạt phân tán trong hệ nhũ tương đã bắt đầu thực hiện được Bởi vì những cải tiến hiện nay trong lónh vực vi điện tử đã dẫn đến việc mở rộng việc sử dụng những công cụ giá thành thấp để thực hiện phương pháp siêu âm, cũng như việc sử dụng. .. McClements,1995) Bảng 2.1: Ứng dụng năng lượng siêu âm trong công nghệ thực phẩm [11] Tác dụng cơ học: Quá trình kết tinh Quá trình bài khí Quá trình phá bọt Trích ly Quá trình lọc và sấy Lạnh đông SV: Trần Thò Ngọc Lành -18- GVHD: ThS Lại Quốc Đạt Tổng quan tài liệu về ứng dụng kỹ thuật siêu âm trong thực phẩm Trộn và đồng hoá Làm mềm thòt Tác động hoá học và vi sinh Quá trình oxi hoá Tiệt trùng dụng cụ c chế... V: Tốc độ lan truyền siêu âm (cm/s) 1.4.5 Phản xạ siêu âm tạo thành âm vang Khi một nguồn siêu âm lan truyền qua 2 môi trường có trở kháng âm khác nhau sẽ tạo nên phản xạ siêu âm gọi là siêu âm vang còn một phần siêu âm xuyên qua môi trường và tuân theo đònh luật quang hình học Hình 1.10: Sơ đồ về phản xạ siêu âm [1] 1 Góc siêu âm chiếu tới α1(i) 2 Góc âm vang phản xạ r 3 Siêu âm truyền qua môi trường... Quốc Đạt Tổng quan tài liệu về ứng dụng kỹ thuật siêu âm trong thực phẩm Ngày nay kỹ thuật siêu âm còn áp dụng giới hạn đối với hệ nhũ tương nồng độ cao (>30wt%) Thực tế siêu âm vẫn có thể truyền qua môi trường này nhưng lý thuyết xác đònh mối quan hệ giữa tính chất siêu âm đo được và kích thước phân bố hạt thì vẫn chậm phát triển do sự phức tạp trong tính toán tương tác phân tử và phân tử trong hệ... Đạt Tổng quan tài liệu về ứng dụng kỹ thuật siêu âm trong thực phẩm giữa các ca sản xuất, điều này có nghóa khả năng nhiễm vi sinh vật lên sản phẩm vẫn là rất lớn Giải pháp để ta có thể làm sạch liên tục trong qui trình sản xuất đó là sử dụng siêu âm Siêu âm giúp giảm thiểu đáng kể nguy cơ nhiễm chéo do đó có thể kéo dài thời gian tiêu thụ Hình 2.9: Thiết bò làm sạch siêu âm Hệ thống làm sạch siêu âm. .. dụng vào mẫu (hình 2.1), và cơ cấu thực nghiệm dùng để tiến hành các phương pháp này (hình 2.2 và 2.3 ) Hình 2.1: Các loại tín hiệu đầu vào khác nhau sử dụng trong kỹ thuật siêu âm [11] Hình 2.2: Mô hình thực nghiệm đo lường siêu âm [11] SV: Trần Thò Ngọc Lành -22- GVHD: ThS Lại Quốc Đạt Tổng quan tài liệu về ứng dụng kỹ thuật siêu âm trong thực phẩm Các hệ thống siêu âm đều có chung những bộ phận điện... Ngọc Lành -24- GVHD: ThS Lại Quốc Đạt Tổng quan tài liệu về ứng dụng kỹ thuật siêu âm trong thực phẩm khác nhau được sử dụng Cách thứ 2, xung siêu âm tone-burst được sử dụng đây là loại xung đơn chứa một chu kỳ siêu âm ứng với một tần số đặc biệt (hình 1.2.1) Trong trường hợp này máy biến năng được điều chỉnh tới một tần số đặc biệt và tiến hành đo tốc độ siêu âm, hệ số tắt dần Sau đó máy biến năng . Rossello,1998). Tổng quan tài liệu về ứng dụng kỹ thuật siêu âm trong thực phẩm SV: Trần Thò Ngọc Lành -18- GVHD: ThS Lại Quốc Đạt CHƯƠNG 2: ỨNG DỤNG KỸ THUẬT SIÊU ÂM TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM Siêu âm. thống siêu âm [11] Một hệ thống siêu âm gồm có 3 phần cơ bản: máy phát điện siêu âm, máy biến năng siêu âm, và hệ thống truyền siêu âm (hình 1.8). Tổng quan tài liệu về ứng dụng kỹ thuật siêu âm. Tổng quan tài liệu về ứng dụng kỹ thuật siêm âm trong thực phẩm SV: Trần Thò Ngọc Lành -1- GVHD: ThS Lại Quốc Đạt CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT SIÊU ÂM 1.1. Khái niệm cơ bản về siêu âm