thước của pha phân tán trong hệ nhũ tương
Hệ nhũ tương được phân tích sử dụng phép quang phổ siêu âm bằng cách đo tốc độ và hệ số tắt dần ở một tần số chức năng, và sau đó xác định sự phân bố kích thướt hạt đã đưa ra sự phù hợp tốt nhất giữa phương pháp thực nghiệm và phương pháp dự đoán sử dụng lý thuyết tán xạ. Có 2 phương pháp chính để giải quyết việc chuyển đổi trong phương pháp tán xạ đó là mô hình chuyển đổi độc lập (model-independent inversion) và mô hình chuyển đổi phụ thuộc.
Trong phương pháp mô hình chuyển đổi phụ thuộc cho rằng sự phân bố kích thướt của hệ nhũ tương có thể được tính bằng cách sử dụng biểu thức toán học:
− − − = g g g g g x r x r P σ σ π σ 2 2 2 ln 2 ) ln (ln exp( ) 2 ln exp( 2 ln 1 ) ( ( 2.8) Trong đó : r: bán kính giọt
xg,σg : lầnlượt là độ lệch trung bình và độ lệch chuẩn của bán kính giọt
P(r): sự phân bố kích thướt hạt
Sự phân bố kích thướt hạt có thể được tính toán từ phương pháp siêu âm thực nghiệm sử dụng máy vi tính. Khởi đầu, sự phỏng đoán kích thướt trung bình của giọt ( xg) và độ lệch chuẩn (σg) được sử dụng tính toán tính chất siêu âm của hệ nhũ tương bằng lý thuyết tán xạ. Giá trị dự đoán được so sánh với giá trị thực nghiệm, và tổng bình phương độ lệch đươc tính toán (SSD). Việc sử dụng đo lường tốc độ tại tần số chức năng ta có: SSD= [ ]2 exp ( ) ) ( ∑i cTheory fi −c t fi (2.9) Trong khi nếu theo phương pháp hệ số tắt dần:
SSD= [ ]2 exp ( ) )
(
Trong đó:
cTheory(fi)và αTheory(fi): là tốc độ siêu âm dự đoán và hệ số tắt dần dự đoán tại tần số fi
cExpt (fi)và αExpt (fi): là tốc độ siêu âm thực nghiệm và hệ số tắt dần thực nghiệm tại tần số fi
Giá trị độ lệch chuẩn và trung bình được thay đổi cho đến khi máy tính tìm được giá trị SSD nhỏ nhất. Một khi giá trị xg và σg được xác định thì sự phân bố kích thướt hạt P(r) có thể được tính toán bằng cách sử dụng biểu thức (2.8)
Quá trình chuyển đổi phụ thuộc chỉ thuận lợi khi số lượng các biến số nhỏ và phải xác định suốt quá trình chuyển đổi như xg và σg . Vấn đề này có thể tăng lên khi mô hình được cho là không có sự hợp lý đặc trưng cho hệ thống được nghiên cứu. Trong trường hợp này ta có thể sử dụng nhiều loại mô hình phân bố kích thướt hạt khác nhau hoặc gia tăng sự phức tạp của mô hình
2.1.5 Ưu nhuợc điểm của phép đo phổ siêu âm
Ưu điểm chính của phương pháp quang phổ siêu âm so với các phương pháp xác định kích thước khác đó là nó không phá huỷ cấu trúc của mẫu đo và có thể áp dụng cho hệ nhũ tương nồng độ cao và hệ nhũ tương mờ đục. Ngoài ra nó có thể dễ dàng thích hợp cho các phép trực tuyến (on-line) như áp dụng một cách đặc biệt cho việc giám sát sự vận hành của một quy trình thực phẩm.
Giới hạn chính của phương pháp này là nó không được sử dụng để nghiên cứu hệ nhũ tương có chứa các bọt khí nhỏ. Bởi vì những bọt khí này sẽ gây tán xạ siêu âm (thậm chí ở nồng độ rất nhỏ) làm cho tín hiệu siêu âm hoàn toàn bị tắt dần (Gaunuard và Uberall, 1981). Ngoài ra siêu âm cũng bị giới hạn áp dụng cho các hệ nhũ tương rất loãng (<0.5 wt%), bởi vì sự thay đổi tính chất siêu âm với kích thước hạt xảy đến tương tự như các sai số thực nghiệm.
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 định 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 keo và hệ thống đặc. Tuy nhiên đã có một bước tiến quan trọng trong lĩnh vực này đó là một số các lý thuyết mới đang phát triển cho phép ứng dụng siêu âm trong hệ nhũ tương nồng độ cao trong một tương lai gần.
Tóm lại quang phổ siêu âm được ứng dụng hầu hết trong nghiên cứu các hệ nhũ nồng độ cao hoặc mờ đục hoặc yêu cầu các phép đo trực tiếp (online). Trong khi phương pháp tán xạ ánh sáng và phương pháp dẫn điện chỉ có thể áp dụng cho hệ nhũ tương loãng (φ <0.1 wt%).
2.2.Ứng dụng siêu âm ức chế Enzym [9, 11,15]
Trong nhiều năm gần đây, sóng siêu âm được sử dụng như là một phương pháp ức chế hoạt động của các enzym. Khoảng 70 năm trước Chambers (1937) cho rằng pepsin có thể bị ức chế bởi sóng siêu âm theo cơ chế của sự tạo bọt. Sự ức chế enzym bằng siêu âm cũng đã thành công trong việc ức chế enzym nghịch đảo đường sucrose (Crawford,1955).
Các enzym peroxidase, có nhiều trong các loại trái cây và rau quả tươi, chúng là nguyên nhân gây ra những biến đổi xấu làm tạo thành một số mùi không mong muốn và làm rau trái hoá nâu. Aûnh hưởng của sóng siêu âm (20 kHz, 371W/cm2) lên enzym peroxidase: sigma-P8000 được hoà tan vào dung dịch đệm kali phosphat 0.1M pH =7 ở 200C được thể hiện ở hình 2.4 (Wiltshire, 1992). Các enzym peroxidase có thể bị ức chế 90 % khi chiếu siêu âm trong 3 giờ.
Sự ảnh hưởng của siêu âm đến hoạt tính của các enzym khác cũng đã được đề nghị, trong đó enzym oxidase thường bị ức chế bởi sóng siêu âm, trong khi các enzym
catalase chỉ bị ảnh hưởng khi chúng ở nồng độ thấp (Naimark và Mosher, 1953). Tuy nhiên, các enzym reductase và amylase lại có khả năng kháng siêu âm cao.
Hình 2.4: Sự giảm hoạt tính của peroxydase bằng siêu âm [15]
Việc nghiên cứu ức chế enzym peroxydase loại VI cũng được tiến hành bởi các tác giả L. De Gennaro, S. Cavella, R. Romano, P. Masi * [9]. Quá trình được tiến hành ở 800C sử dụng siêu âm với các tần số 20, 40 và 60 kHz, theo đó công suất siêu âm thay đổi trong khoảng từ 0 – 120 W. Khi siêu âm năng lượng cao truyền vào chất lỏng, các bọt khí nhỏ sẽ phát triển và bị vỡ mãnh liệt, điều đó sẽ làm tăng nhiệt độ và áp suất đột ngột ở vùng xung quanh nó( EL’piner,1964). Nhiều tác giả cho rằng hiện tượng này sẽ phá vỡ hệ vi sinh vật, thay đổi hoạt tính của tế bào, phá vỡ thành tế bào và tăng khả năng nhạy cảm với nhiệt độ. Tuy nhiên hiệu quả tiêu diệt của siêu âm thì không phải là như nhau đối với mọi sinh vật. Thường hiêu quả siêu âm không cao đối với các loại tế bào tròn nhỏ, ví dụ như vi các vi khuẩn gram dương như staphylococcus aureus và enterococci (Ordonez, Sanz, hernandez & Loper-Lorenzo, 1984) hoặc các bào tử vi khuẩn có khả năng kháng siêu âm cao (Ahmed & Russel,1975; Boucher &
Lechowich,1979). Sự kết hợp của siêu âm với nhiệt hoặc áp suất hoặc cả hai sẽ cho hiệu quả ức chế enzym cao.
Để đánh giá hoạt tính của enzym peroxydase, ta dựa trên máy quang phổ để xác định màu của dung dịch ở bước sóng 460 nm, phản ứng xảy ra do sự phân huỷ của hydrogen peroxide bởi enzym peroxidase với o-dianisidine là chất cho hydro, theo phản ứng:
o-dianisidine(AH2) + H2O2Peroxidase→ A + H2O
Môi trường phản ứng gồm 0.1M dung dịch đệm phosphate pH 6.5, 0.01% o- dianisidine, 0.005% H2O2 và 2% methanol (vì o-dianisidine được cho vào môi trường dưới dạng dung dịch hoà tan trong methanol)
Quá trình xử lý được tiến hành ở các tần số 20, 40 và 60 kHz, nhiệt độ ở 80 0C, với 40ml hoặc 80 ml dung dịch được xử lý (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Kết quả:
Hình 2.5:Tỉ số giữa hoạt tính còn lại tại một thời điểm t so với hoạt tính ban đầu A(t)/A(0) của peroxidase, a=40ml, b=80ml, siêu âm tần số 20 kHz, công suất
Hình 2.6: Ảnh hưởng của năng lượng siêu âm (P) đến thời gian tiêu diệt thập phân tại 800C D80 , a=40 ml, b=80ml
Hình 2.5 và hình 2.6 cho thấy khi ta tăng công suất siêu âm thì D80 giảm xuống tới một giá trị tiệm cận, và khi đó hiệu quả ức chế enzym sẽ rất chậm nếu ta cứ tiếp tục tăng năng lượng P. Điều này có thể giải thích là do khi công suất siêu âm cao thì sẽ xuất hiện nhiều bọt ngay dưới đầu dò siêu âm, nó đóng vai trò như lớp đệm ngăn cách
siêu âm với enzym cần xử lý và do đó là hiệu quả của siêu âm giảm (Ratoarinoro, Contamine, Wilhern, Berlan & delmas, 1995). Từ đó cho thấy để tăng
Hình 2.7:Ảnh hưởng của cường độ siêu âm Pi đến thời gian tiêu diệt thập phân tại 800C D80 , a=40 ml, b=80ml
Do hiện tượng tạo bọt chủ yếu xảy ra ở gần đầu phát siêu âm, do đó ta tiến hành nghiên cứu D80 dựa vào cường độ siêu, như hình 2.7. Từ những kết quả trên ta thấy, hiệu quả tiêu diệt của siêu âm kết hợp với nhiệt tại một công suất siêu âm thì phụ thuộc vào tần số siêu âm và lượng dung dịch cần xử lý. Thời gian tiêu diệt thập phân sẽ giảm theo hàm mũ khi tăng cường độ siêu âm và giảm tần số siêu âm. Giải thích ảnh hưởng của thể tích mẫu đến hiệu quả xử lý là do sự tăng áp suất hay tạo bọt là không đáng kể đối với những vùng xa đầu dò
2.3.Ứng dụng siêu âm trong quá trình oxi hoá [11]
Một trong những sản phẩm có tiềm năng sử dụng sóng siêu âm để cải tiến quá trình oxi hoá đó là các sản phẩm lên men như rượu vang và một số loại rượu cao độ, trong các loại rượu này thì quá trình oxi hoá trong giai đoạn ủ chín đóng một vai trò hết sức quan trọng, quá trình này giúp hình thành các hương vị và màu sắc đặc trưng cho sản phẩm và thường diễn ra trong một thời gian rất dài. Khi ta chiếu sóng siêu âm 1 MHz thì sẽ dẫn tới sự thay đổi thành phần cân bằng tỉ lệ alcohol/ester trong sản phẩm
tạo ra chất lượng cho các sản phẩm đã ủ chín ( Ishimori et al.,1981). Điều này đặc biệt thành công đối với rượu Whisky, ta có thể giảm được thời gian ủ chín của sản phẩm này xuống thành một năm khi ta chiếu siêu âm vào chúng trong một bồn chứa tiêu chuẩn (Rosenfeld và Shmidt,1984), so với công nghệ truyền thống phải ủ trên 4 năm
2.4.Ứng dụng siêu âm trong quá trình làm sạch và tiệt trùng
bề mặt [11]
Một trong các ứng dụng quan trọng của siêu âm năng lượng cao đó là quá trình làm sạch. Siêu âm được sử dụng một cách đặc biệt trong quá trình làm sạch bề mặt. Ta sử dụng kết hợp siêu âm (sẽ tạo ra các bong bóng khí gần bề mặt làm sạch) và phun dòng nước tới bề mặt cần làm sạch. Các tia nước phun tới từ một bên của các bong bong khí sẽ làm hình thành các tia nhỏ (microjet) (hình 2.8), chính năng lượng của các tia nhỏ này sẽ giúp loại sạch các chất bẩn và vi sinh vật trên bề mặt. Ứng dụng đặc biệt của siêu âm trong quá trình làm sạch này giúp ta làm sạch ngay cả các khe nhỏ trên bề mặt mà các phương pháp thông thường khác không làm được. Siêu âm còn được ứng dụng như là một phương pháp thanh trùng, tiệt trùng và làm sạch các bề mặt dụng cụ dùng trong y học, phẫu thuật, ngành nha, và trong công nghiệp thực phẩm.
Gần đây sóng siêu âm kết hợp với thuốc sát khuẩn đã được áp dụng để làm sạch trứng (Slapp, 1995). Như ta đã biết vỏ trứng có cấu trúc xốp, nên bất kì sự ô nhiễm nào cũng có thể xuyên vào bên trong và giết chết phôi, kết quả là quả trứng có thể bị ” chết” trước 10 ngày. Phương pháp siêu âm giúp hỗ trợ cho quá trình làm sạch tạo ra những quả trứng ” sạch” hiệu quả hơn phương pháp phun hay xông khói diệt khuẩn thường sử dụng.
Siêu âm năng lượng cao có thể hỗ trợ để nâng cao ảnh hưởng của thuốc diệt côn trùng hoá học. Do nó có thể làm phá vỡ và phân tán khối vi sinh vật và làm cho chúng nhạy cảm hơn dưới sự tác động của chất hoá học. Từ kết quả trên ta có thể ứng dụng siêu âm trong quá trình tiệt trùng hay khử trùng những vật liệu đặc biệt, khi đó siêu âm sẽ được sử dụng kết hợp với quá trình tiệt trùng truyền thống.
Siêu âm còn được ứng dụng để làm sạch và diệt khuẩn trong ngành công nghiệp xử lý gia cầm. Các nhà máy sản xuất gia cầm thì khả năng tự động hoá cao và có thể sản xuất ra hàng trăm ngàn hoặc hàng triệu con mỗi tuần. Các sản phẩm này thường sau một thời gian sẽ không thể tiêu thụ được nữa, khoảng thời gian này phụ thuộc vào tốc độ vi sinh vật phát triển trên nó. Vì vậy, từ giai đoạn giết mổ đến vận chuyển và tồn trữ đều phải được thực hiện trong điều kiện sạch và làm lạnh. Để giữ lạnh trong nhà máy và vận chuyển thì có thể làm tốt trong khả năng của nhà cung cấp, nhưng để giữ cho các thiết bị tiếp xúc trực tiếp với gia cầm ở tình trạng vô trùng là một vấn đề lớn. Chính hình dạng của các dụng cụ như cái móc để treo sản phẩm, rổ để dự trữ,... làm cho chúng khó có thể được làm sạch nhanh chóng. Trước đây các phương pháp làm sạch liên tục thường được sử dụng là bàn chải xoay hay phun nước. Sau mỗi ca sản xuất ta sẽ rửa các dụng cụ đó bằng chất bọt hóa học sau đó dùng tia nước áp lực cao để loại những phần còn dư đi. Thời gian tiêu thụ và kiểm tra vi sinh của hai phương pháp này thường không hiệu quả. Ngoài ra quá trình làm sạch của các phương pháp truyền thống này chỉ có thể áp dụng khi ta ngừng dây chuyền sản xuất, chúng thường thực hiện ở
giữa các ca sản xuất, điều này có nghĩa 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 bị làm sạch siêu âm
Hệ thống làm sạch siêu âm gồm một bồn thép không rỉ được gia nhiệt chứa các máy biến năng siêu âm và chứa dung dịch làm sạch. Đối tượng được làm sạch sẽ được đưa vào bồn (tank) và được xử lý siêu âm khi nó di chuyển gần về máy biến năng. Siêu âm kết hợp với chất diệt khuẩn có thể loại bỏ máu, chất béo và diệt khuẩn trên các dụng cụ. Việc kết hợp này cho hiệu quả cao, cơ chế cụ thể của nó thì chưa được biết rõ ràng nhưng nó là do sự kết hợp bởi: siêu âm làm cho các vi sinh vật yếu đi và khi gặp chất diệt khuẩn nồng độ thấp cũng đủ tiêu diệt chúng.
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình làm sạch siêu âm khi làm sạch các dụng cụ tiếp xúc trực tiếp với sản phẩm:
» Các loại chất ô nhiễm trên các dụng cụ: thường là chất béo, máu, da, thịt, và cặn vôi .
» Nhiệt độ bồn xử lý: tuỳ thuộc vào chất ô nhiễm mà sẽ có chế độ nhiệt khác nhau. Có mối quan hệ gữa nhiệt độ bồn và hiệu quả của siêu âm. Hiện tượng tạo
bọt xảy ra tốt nhất ở 65 – 700C, nó sẽ giảm xuống một nửa khi nhiệt độ thấp hơn 400C hoặc trên 850C, nhưng thường sử gia nhiệt trên 65 0C là không có lợi về kinh tế. Và từ thực nghiệm cho thấy rằng để hiệu quả siêu âm là tốt nhất là: để làm sạch chất béo thì nhiệt độ thích hợp là T >600C, làm sạch máu: nhiệt độ thích hợp là T < 450C. Nếu làm sạch cả máu và chất béo thì nhiệt độ thấp hơn 65 0C thường cho hiệu quả cao.