Đồng hĩa sử dụng sĩng siêu âm là phương pháp sử dụng sĩng siêu âm với cường độ 18 – 30 KHz.
3.2.3.1 Cơ sở khoa học
Người ta giải thích cơ chế của phương pháp này theo nguyên lý xâm thực khí
(cavitation theory). Cơ chế này như sau:
Dịng chuyển động Hình 3.6 Thiết bị trộn cao tốc sử dụng trong cơng nghiệp
Những rung động sĩng siêu âm làm phát sinh sự xén, cắt mãnh liệt và những gradient áp suất giữa các vật chất trong hệ nhũ tương, làm phá vỡ các giọt nhỏ mà chủ yếu là do hiệu ứng tạo các bong bĩng hơi hỗn loạn trong hệ. Chúng va đập vào vào các hạt của pha phân tán và làm vỡ hạt.
3.2.3.2 Thiết bị
Theo Gopal (1968) và Canselier et al (2002), cĩ nhiều phương pháp tạo ra được sĩng siêu âm cường độ cao nhưng trong cơng nghiệp chỉ cĩ hai phương pháp là: Bơä chuyển đổi điện áp (piezoelectric transducers) hay cịn gọi là đầu dị siêu âm (Ultrasonic probe) và máy phát tia lỏng (liquid jet generators) hay cịn gọi là tia siêu âm (jet ultrasonic)
Bộ chuyển đổi điện áp là phương pháp đồng hĩa bằng sĩng siêu âm, được sử dụng trong phịng thí nghiệm, chúng dùng cho những mẫu nhũ tương cĩ thể tích nhỏ từ vài cm3 đến 100 cm3. Phương pháp này thật sự cần thiết cho những nghiên cứu với những mẫu đắt tiền. Bộ siêu âm chuyển đổi điện áp bao gồm một áp điện bằng tinh thể được chứa đựng trong vỏ bọc bằng kim loại nằm gọn ở phần cuối của bộ phận chuyển siêu âm, và sĩng điện trường cường độ cao được áp vào bộ chuyển đổi làm cho áp điện bằng tinh thể bên trong nĩ nhanh chĩng dao động và phát sinh sĩng siêu âm. Sĩng siêu âm được phát sinh và hướng về phía đỉnh của bộ chuyển siêu âm, nơi mà nĩ sẽ phát ra. Vùng nhũ tương nhận được sĩng siêu âm sẽ chịu sự cắt xén mạnh và gradient áp suất rất lớn. Nguyên nhân là do hiệu ứng tạo thành các bong bĩng hơi. Điều này khiến cho các hạt chất lỏng vỡ thành nhiều phần rất nhỏ và trộn lẫn vào nhau. Thực tế, năng lượng của sĩng siêu âm tập trung vào vùng thể tích nhỏ gần đỉnh của bộ chuyển siêu âm, khiến cho thiết bị đồng hĩa bằng bộ chuyển siêu âm chỉ thích hợp với các mẩu nhỏ, đối với thể tích lớn thì nĩ cũng cần thiết như là quá trình phụ để tăng hiệu quả cho quá trình trộn và đồng hĩa trong tồn bộ mẫu.
Để giúp cho hệ nhũ tương bền thì thời gian cần thiết sử dụng sĩng siêu âm từ vài giây đến vài phút. Nếu liên tục sử dụng sĩng siêu âm thì làm cho mẫu nĩng lên thấy rõ. Thơng thường đồng hĩa bằng bộ chuyển đổi điện áp được sử dụng để sản xuất các nhũ tương theo mẻ, nhưng chúng cũng được cải tiến thêm để sử dụng cho sản xuất kiểu liên tục (Canselier et al., 2002; Schubert et al., 2003).
Nhược điểm của đồng hĩa bằng sĩng siêu âm là nếu sử dụng với cường độ cao thì sẽ giảm chất lượng của sản phẩm cụ thể là: protein bị biến tính, oxi hĩa lipit, các polisaccharide bị phân cắt.
Đồng hĩa bằng tia sĩng siêu âm được sử dụng chính trong cơng nghiệp thực phẩm để tạo ra hệ nhũ tương. Một dịng chất lỏng được tạo ra chạm vào tấm mỏng sắc. Dao động rung nơi tấm mỏng phát sinh ra sĩng siêu âm rất mãnh liệt làm phá vỡ bất kỳ giọt nhỏ trong vùng lân cận ngay lập tức. Cơ chế của sự phá vỡ này là kết hợp của sự tạo thành bong bĩng khí, sự xén cắt, sự chuyển động hỗn loạn (Gopal, 1968; Canselier et al., 2002). Ưu điểm chính của thiết bị này là áp dụng cho sản xuất liên tục, nĩ tạo ra những giọt cĩ kích thước rất nhỏ và hiệu quả tiết kiệm năng lượng hơn so với đồng hĩa bằng áp lực cao, tức là ít tốn về năng lượng hơn khi tạo ra các giọt nhỏ cùng kích thước (Schubert et al., 2003). Nhược điểm là tấm mỏng dao động thường bị mịn bởi sĩng siêu âm với cường độ cao. Lưu lượng dịng chất lỏng chuyển động cĩ thể dao động trong khoảng 1 – 500 000 l/h.
Hình 3.8 Cấu tạo của thiết bị đồng hĩa tia siêu âm
Phần thể tích được rọi bằng sĩng siêu âm
Hình 3.7 Cấu tạo
của đầu dị siêu âm
đỉnh Cơng tắc điều chỉnh mức năng lượng Mẫu
3.2.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả đồng hĩa bằng sĩng siêu âm
Là cường độ sĩng, thời gian, tần số (Gopal, 1968; Behrend et al., 2000).
Tần số sĩng siêu âm: Theo nguyên tắc thì hệ nhũ tương cĩ thể được thành lập
với tần số tới 5MHz. Tuy nhiên hiệu quả đồng hĩa sẽ giảm khi tăng tần số (Canselier et al., 2002). Những thiết bị đồng hĩa bằng sĩng siêu âm trên thị trường thường cĩ tần số thường 20 – 50 KHz.
Cường độ sĩng siêu âm và thời gian sử dụng: Đối với những thiết bị này kích
thước giọt phân tán trong thời gian đồng hĩa sẽ giảm khi gia tăng cường độ phát sĩng và thời gian sử dụng (Abismail et al., 1999; Canselier et al., 2002). Theo Walstra (1983), với nhiều thí nghiệm cho kiểu đồng hĩa liên tục bằng sĩng siêu âm thì kết thí nghiệm cho ta biết được đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa logarithm trung bình đường kính giọt phân tán và logarithm năng lượng thêm vào là một đường thẳng, với hệ số tỉ lệ là – 0.4.
Ngồi ra, hiệu quả đồng hĩa cịn phụ thuộc vào thành phần của các pha (Behrend et al., 2000).