7. Ứng dụng trong quá trình lạnh đơng thực phẩm
7.1. Cơ chế của siêu âm trong quá trình lạnh đơng
Hình 15. Sự di chuyển của các bọt khí trong suốt quá trình tạo bọt
Quá trình truyền sĩng siêu âm vào pha lỏng cĩ thể gây ra sự tạo bọt nếu như biên độ của nĩ vượt quá một giới hạn nhất định (hình 1) (Zheng& Sun, 2005). Áp suất âm trong suốt quá trình hút chân khơng sẽ làm cho chất lỏng bị đứt đoạn, dẫn đến việc hình thành các bọt bong bĩng (Ashokkuman&Grieser,1999; Gong& Hart, 1998). Trong suốt chu kỳ âm của sĩng siêu âm, các bong bĩng (bao gồm cả các bong bĩng cĩ sẵn trong chất lỏng) sẽ khơng ngừng lớn lên và tạo ra một áp lực chân khơng và làm cho các khí hồ tan trong chất lỏng sẽ khuếch tán vào chúng. Khi áp suất âm giảm và đạt tới áp suất khí quyển thì các bong bĩng khí này bắt đầu co lại dưới sức căng bề mặt. Và trong chu ký nén , chu kỳ cĩ áp suất dương, các khí đã khuếch tán trong các bọt khí sẽ thốt ra lại chất lỏng. Quá trình này chỉ diễn ra trong giai đoạn các bọt khí bị nén. Tuy nhiên trong khi các bọt khí bị nén thì khả năng khuếch tán ở bề mặt ngồi của nĩ giảm, do đĩ lượng khí thốt ra khỏi các bọt khí sẽ ít hơn lượng khí đã khuếch tán vào, kết quả là các bọt khí sẽ ngày càng lớn hơn qua mỗi chu kỳ sĩng âm.
Những bọt khí này sẽ đĩng vai trị như là các nhân cho quá tình tạo tinh thể đá đến kích thước tới hạn (Mason và cộng sự, 1996). Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng siêu âm làm gia tăng một cách đáng kể số lượng các nhân kết tinh trong dung dịch sucrose cơ đặc (Suslick, 1988). Các vi dịng cũng là một hiện tượng âm qua trọng khác liên quan đến sự
tạo bọt. Nĩ xảy ra khi các bọt khí dao động một cách mãnh liệt và tạo ra các dịng xốy mãnh liệt trong chất lỏng xung quanh chúng (Scheba et al.,1991). Sự khuếch tán vào và ra của các khí cũng làm tăng các vi dịng xung quanh chúng và kéo dài hơn nữa trong chất lỏng (Hughes & Nyborg,1962).
Sự dao động mãnh liệt của hiện tượng vi dịng được ứng dụng làm tăng khả năng truyền nhiệt và truyền khối trong nhiều quá trình (Ensminger,1998; McClement ,1995). Do khả năng dao động mãnh liệt trong pha lỏng mà các vi dịng được ứng dụng trong quá trình làm lạnh bằng cách giảm thiểu sự cản trở quá trình truyền nhiệt và truyền khối tại bề mặt phân chia pha lỏng/rắn và do đĩ làm tăng tốc độ lạnh đơng .
Tương tự như các vật liệu đặc và khơng nén được, các tinh thể đá sẽ bị gãy vỡ dưới tác dụng siêu âm (Zheng và Sun, 2005). Ảnh hưởng này đã được chứng minh bởi Acton và Morris (1992), các tác giả cho rằng khi chiếu một xung siêu âm lên dung dịch sucrose lạnh đơng, cách nhau mỗi 30 s trong vịng 10 phút thì các mảnh đá tạo thành trên bề mặt sẽ bị phá vỡ, các mảnh vỡ sẽ được phân tán vào phần lỏng chưa đơng. Quá trình vỡ của các tinh thể đá sẽ làm giảm kích thướt tinh thể.
Hình 16, được xây dựng dựa trên quá trình xử lý dung dịch sucrose đơng lạnh với siêu âm trong suốt quá trình đơng lạnh, 32% nước tồn tại dưới dạng tinh thể đường kính 50μm và lớn hơn, so với 77% khi khơng xử lý với siêu âm. Ảnh hưởng của siêu âm năng lượng cao đến quá trình làm giảm kích thướt tinh thể đã được ứng dụng thành cơng trong sản xuất dược phẩm kết tinh (Mason và cộng sự, 1996)
Hình 16. Ảnh hưởng của năng lượng siêu âm lên sự phân bố kích thước tinh thể trong dung dịch sucrose lạnh đơng.