水力空化在食品加工和水处理工业的应用.docx
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水力空化在食品加工和水处理工业的应用
水力空化在食品加工和水处理中的应用
ParagR.Gogate
摘要
水力空化,长期以来被认为是流体系统的一个不易解决的问题,当用于强化各种物理和化学处理应用时,可以作为超声空化的替换方法,是超声空化的强劲竞争对手。
水利空化产生热点,高活性自由基,与流体回路流量相关的扰动,可以用于强化各种物理/化学变化处理应用。
目前的工作聚焦水力空化的各个方面,包括基本原理、基于空泡动力学分析的选择运行参数最优组合的建议、反应器设计和食品加工和水处理工业各方面应用的综述。
本文重点讲解了水力空化在食品消毒、微生物细胞破碎释放酶、水消毒和水处理方面的应用。
使用水力空化处理也能取得超声空化处理相同的效果,能量效率比超声空化高,但是处理规模比超声空化的要大。
Keywords水力空化.食品消毒.微生物细胞破碎.水消毒.水处理.过程强化
前言
空化现象包括空泡的产生、发展和溃灭过程,空穴在极短的时间间隔(百万分之一秒)力不断的出现、消失,释放大量的能量,产生非常高的局部能量密度(单位体积释放的能量)和高温(1000-10000K)高压(100-5000bar),这个现象通过在空化器(Suslick1990内对数百万个点进行测量证实。
空化现象产生高活性自由基,能够用于清洗。
而且空化对流体的扰动作用,增加固体催化剂的比表面积,增大系统的质量传递比率(MasonandLorimer1988;Luche1999。
空化根据产生方式可以分为四类:
声空化、水力空化、光空话和微粒空化。
但是只有水力空化和声空化开发应用于工程中产生物理/化学上的变化,而光空化和微粒空化通常只适用于单空泡空化,不能使本体溶液产生任何物理/化学的变化。
超声(声空化的特殊效用已经成功应用于物理/化学处理工程和生物工业(PoveyandMason1998;MasonandLorimer2002。
如本文所述,应用于木瓜(Fernandezetal.2008和其他热带水果脱水(Fernandezetal.2010、水果汁加工(Tiwarietal.2009和微生物灭活(杀菌消毒)(Walkling-Ribeiroetal.2009。
水力循环系统中也较易发生相似的空化现象,因为机械设备腐蚀问题,设计师对水力设备的空化采取谨慎的态度,并作出努力去理解空化以抑制空化达到防止空化冲蚀设备的接触表面(ChatterjeeandArakeri1997。
而且,精密设计的系统允许产生如声空化一样的空泡破裂工况,从而不同的应用需要不同的空化强度,而声空化已经能够做到这一点,而且相对于声化学反应器而言输入能量较小(Moholkaretal.1999;Gogateetal.2001。
最近十年来,全球的一些学者重点研究水力空化产生物理/化学变化的特殊反应机理(GogateandPandit2001。
当前工作的重点是突出水力空化的各个方面,包括运行参数优化理论,空化器的设计和在对现有文献详细分析基础上撰写的空化在食物加工和水处理工程应用的综述。
水力空化的产生
水力空化在使用类似孔板、文丘里管或者喉管等收缩管的流体系统中容易产生(GogateandPandit2001。
流体压力与速度之间的关系可以用伯努利描述,如图1所示的颈缩管中,根据伯努利方程,流体动能因流体压头下降而有所增加,且如果在颈缩管喉部位置能够充分满足压力低于产生空化的临界压力(通常是工作温度下的饱和蒸汽压)时,就会产生空化,随后射流截面增大,平均流速减小,压力增大,导致空泡破灭。
在流体流经颈缩管时,流体与边界发生分离,由于该处湍流扰动的影响,压力必然下降,流体损失大量能量。
在刚流过颈缩管时,也能产生高强度湍流,湍流强度(Re)取决于压力幅值和压力回升值,同样也取决于颈缩管的几何结构和流体的流态即湍流度(Re)(MoholkarandPandit1997;GogateandPandit2000。
湍流度对空化强度起关键作用,因此通过控制反应器的几何结构和操作条件,可以获得理想物理/化学变化所需的空化强度,同时获得最大的能源效率。
于是可以用一个无量纲数即空化数(Cv来表示流态与空化强度之间的关系。
其中P2是未受扰流物体扰动影响的参考压强,Pv是泡内压强即饱和蒸汽压,v0是颈缩管处流体流速,空化初始阶段的空化数叫空化初生数Cvi,理想情况空化初始时Cvi=1,当Cvi<1时,空化效果显著。
然而在空化数较大时(Cvi=2~4),也会产生空化,这也可能是流体介质中溶解了一些气体或者杂质。
Yan和Thorpe(1990发现Cvi是流体流道形状的函数,一般随着颈缩管或其他能够使流体流速变化的管道的尺寸的增加而增加。
尽管空化可以在空化数较高的情况下产生,但是要使空化强度最大化,流动状态和几何结构的设计必须满足空化数在0.1~1之间,因为非常低的空化数可以导致流体系统产生超空化而出现气塞和无空泡溃灭现象。
空泡动力学分析
广泛研究空泡动力学可以在水利系统对水力空化进行建模,这样可以更好理解空化整个过程以及优化操作参数和空化设备的几何结构。
这不仅有利于空化强度最大化,而且可以使能源耗散最小化,降低运行成本。
通常不同的空泡动力学方程如Rayleigh–Plesset方程都可以适用于解释声空化反应器(基于声空化的在食品加工和水处理工程已经广泛研究的空化器)的空泡行为,有些方程如Tomita和Shima方程与Gilmore方程(GogateandPandit2000考虑流体介质的可压缩性都可以用于分析水力空化反应器的空泡行为。
唯一的区别是脉动压力场存在于空化的不同阶段,接下来我们简要讨论各种量化压力场的方法和对应的空泡动力学详细分析以及早期对于空化强度的定义(Moholkar和Pandit1997,2001a,b;Gogate和Pandit2000;Singhaletal.2002;Kanthale等人2005;Arrojo和Benito2008;Sharma等人用类似的方法2008。
量化产生空化的颈缩管下游压力场的最简单方法之一就是假设下游压力场线性回升。
Yan等人(1988也认为单个气泡是可以独立存在的,这个方法在湍流强度相当低的时候即对于文丘里管或者其他流道内表面光滑平稳的收缩管流体系统是合适的,从空化初始点到颈缩管下游任意位置的流体压力回升可以近似的用关于收缩管下游任意位置到空化初始点的距离的线性函数表示,这种情况下获得的空泡临界半径轨迹表明空泡仅仅是动荡的(不会突然破裂),动荡产生的压力脉冲震级非常小。
这个低震级的压力脉冲可能产生低强度的水力空化使流体产生物理/化学变化。
当湍流扰动强度增加或者压力回升不再是线性函数时,尤其是在收缩管是锐孔管时,Yan等人(1988的方法不在适用。
这种情况下空泡/空穴与流体介质一起流向收缩管下游时,局部压力明显变化。
考虑湍流影响来量化压力场是一个更实际的方法(MoholkarandPandit1997;GogateandPandit2000,对于管道流动,湍流压力变化是由于流速扰动形成漩涡而引起的,瞬时湍流速度可以通过假设瞬时湍流速度按正弦函数改变来计算,如下:
其中Vt是局部平均速度,fT是湍流频率。
Vtn是速度关于时间t的积分函数,
速度波动量和湍流频率可以通过涡流长度和单位质量的能耗进行计算(GogateandPandit2000。
瞬时流速用于计算瞬时局部静压力,联合伯努利方程计算有:
其中ΔP味流体流经颈缩管时的压力降,P∞是一个变量,用于求解Rayleigh–Plesset方程。
模拟湍流影响情况下的空泡行为所得到的临界半径轨迹表明空泡/空穴的尺寸可以增加,通过上百万次的空泡成长观察表明,湍流状况下快跑的临界半径比稳流时大100%。
也可以表明空泡破裂时,压力脉冲变化很大(空穴不会像前面的情况一样震荡而是溃灭),这个重要结果在湍流状态下的空泡存在周期是瞬时的。
这与超声空化的空穴是一样的。
湍流影响所产生的稳定到瞬时的空化表明:
如果能够控制流体湍流强度,水力空化设备可以通过相对简单的方式产生与超声设备相同的空化状况。
这一结论在操作人员能够比较水力空化和超声空化的金属侵蚀率的前提下已经得到了论证。
为了获得相同的金属侵蚀率,空泡溃灭所产生的压力波动必须相同,这只有瞬时空化可以做到,稳定气蚀和振荡气蚀都达不到这个条件。
空泡动力学分析的一个主要用途是理解溃灭压力、温度、空化结束时所产生的自由基数量对操作参数和水力空化反应器结构的依赖程度(相关性)。
空泡动力学研究有助于得到如何选择最优参数组合的建议。
对空化反应器的空泡动力学详细分析讨论本文不作论述,读者可以参考早期的相关文献(MoholkarandPandit1997,2001a,b;GogateandPandit2000;Kanthaleetal.2005;ArrojoandBenito2008进行深入探索。
目前,有关操作参数的最优组合的选择建议已经总结出来(Table1。
液相的物理化学性质也会对空化产生显著影响。
因此介质必须是流体,工况以有利于空化产生或者空泡初始半径尺寸越小使其有更大的增长范围和剧烈破裂和更佳剧烈的空化现象为佳。
一些关于液相物理化学性质选择的注意事项见表2.
Table1Optimumoperatingconditionsforthehydrodynamiccavitationreactors
Number
Property
Favourableconditions
1
Inletpressureintothesystem/rotorspeeddependingonthetypeofequipment
Useincreasedpressuresorrotorspeedbutavoidsuper-cavitationbyoperatingbelowacertainoptimumvalue
2
Diameteroftheconstrictionusedforgenerationofcavities,e.g.holeontheorificeplate
Optimisationneedstobecarriedoutdependingontheapplication.Higherdiametersarerecommendedforapplicationswhichrequireintensecavitation,whereaslowerdiameterswithlargenumberofholesshouldbeselectedforapplicationswithreducedintensity
3
Percentagefreeareaofferedfortheflow(ratioofthefreeareaavailablefortheflow,i.e.cross-sectionalareaofholesontheorificeplatetothetotalcross-sectionalareaofthepipe
Lowerfreeareasmustbeusedforproducinghighintensitiesofcavitationandhencethedesiredbeneficialeffects
水力空化设备的配置
选择一个最佳的水力空化设备配置使得空化效应最大化实现经济高效运作永远都是重要的。
在本节,我们将讨论如何实现设备的合理配置以及提出按照局部压力/温度或者自由基数目对应的空化强度合理有效选择配置的建议。
高压均质器
水力空化的常用设备之一是高压均质器。
高压均质器是一个高压容积泵与一个喉管设备配套使用,根据高压溢流阀的原理操作。
经过泵压缩的高压流体流经收缩管时,压力能转化为流体的动能。
在动能非常大时,流体的压力下降,当流体压力低于介质的饱和蒸汽压时产生空化现象。
高压均质器调压范围在50atm-300atm之间。
通常一个高压均质器回路有一个贮水池和两个节流阀组成,设计采用2级均质来控制水力空化器的操作压力。
当压力达到临界排放压力时空化初始阶段出现,当压力超过临界排放压力时,空化效果显著,当且不说空化高压均质器因为高速流体扰动和高速流体对器壁的冲击而形成的剪切作用。
高压均质器尤其适用于食品的乳化工艺、制药和生物工程。
所有高压均质器的共同缺点是不能精确控制空化量和空化结束时产生的压力脉冲的大小(空化强度),除非阀体设计发生本质改变。
高速均质器
空化也可以在旋转设备中产生。
当旋转设备的瞬时最大速度达到临界速度时,叶轮边缘附近的局部压力低于或者等于流体饱和蒸汽压,这时就会产生蒸汽空穴,随后液体从叶片上甩向叶轮边缘,流速减小流体压力回升,十六题夹带的空泡破裂。
同样类似于高压均质器,反应器在空化初始阶段也存在临界旋转速度(KumarandPandit1999;Shirgaonkaretal.1998。
应当指出的是高速均质器的能耗更高,与孔板结构或者文丘里管结构等低压空化设备相比,高压均质器的设计参数的灵活性较小。
设备旋转速度在4000rpm-20000rpm之间变化,高压均质器由一个定子—转子结构装配而成,一般高压均质器选用不锈钢材料制造最好,需要保证定子和转子结构转动灵活。
定子与带孔挡板联接以避免涡流和气体倒灌进入叶轮导致部分液体表面曝气,并且可以通过改变电机输入电压的方式来调节高速均质器的转速。
低压水力空化器
在这种类型的空化器中,流体沿着管道轴线流经收缩管,在流体流到扩散管位置时,流体因流道截面增大,压强减小,流速突然增加,当压强减小至流体介质的饱和蒸汽压时产生空化现象。
图3是这种类型反应器的流动循环的原理示意图,收缩管可以用文丘里管、单孔管板或者多孔管板,多孔管板的孔数、直径以及孔的布局组合在图4中表明,这个组合有利于获得不同的空化强度和不同的空化数量。
因此这种反应器的操作条件(入口压力、入口流量和温度的调节)和几何条件(多孔管板采用不同的组合)具有巨大的柔性空间。
根据应用和要求的不同,水力空化反应器选择几何参数和操作参数以实现最小能量耗散情况下的空化效应最大化。
例如,细胞破裂需要温和强度的空化,因为细胞壁强度不同,混合培养微生物所需进行的微生物降解需要高强度的空化。
Sampathkumar和Moholkar(2007提出一种新的水力空化反应器设计概念,他提出使用缩扩喷嘴达到空泡运动所需的压力脉冲,而不像前面讨论过的孔板一样。
空泡或者气核在喷嘴的上游用分布器涌入流体中,不同的气体可以形成不同的空泡,并且气体分布器(通常是玻璃熔块)的尺寸、气体的流量以及气罐的压强易于调节,可以通过调节这些因数来调节空泡气核和气穴的尺寸,获得最小尺寸的气核达到空化强度和净空化效益的最大化。
SampathkumarandMoholkar(2007论述了使用分布器可以产生温和强度的空化效果,并且满足工业要求,如微生物细胞破裂和食物消毒。
结果表明使用缩扩喷嘴能形成瞬时的空泡运动,导致空泡运动剧烈,诱发生声化学现象。
使用缩扩喷嘴在空泡破裂的瞬间所达到的最高温度比孔板的稍微低些,在2000K左右,而使用孔板所达到的最高温度在5000K左右。
但是,缩扩喷嘴在要求空化强度可调的工程应用中有一定的缺陷,因为喷嘴的结构参数只有长度和直径可以变化,而使用孔板达到空化强度可调,可以通过改变孔板的孔数、尺寸和孔的布局来改变。
激波反应器
最近,Milly等人(2007,2008论证了激波反应器可以产生所需空化用于食物的巴氏杀菌和消毒。
激波反应器是由固定外筒和转动内筒共同组成,内外筒之间的环形区域可以装液。
当内筒转动时,产生空化现象,内筒表面有很多通孔,当内筒高速旋转时,带动环形区域的流体转动,流体流入环形区域的压力和流量可以通过使用一个旁路装置调节,旁路装置可以使流向反应器的流体流回储罐,而不会对空化造成干扰。
内筒高速转动使流体流入内筒表面的通孔,流体因横截面积突然增加而膨胀,压力下降。
当压力下降时,一部分流体汽化,与溶解在流体中汽化的空气共同形成空泡,产生空化。
深入分析反应器的结构表明装置在内筒表面的孔的大小方面和通过环线区域的流体压力与流量的运行工况的选择是很灵活的,但是装置似乎不能调节空化强度。
当然,激波反应器可能由于流体的瞬时汽化而产生蒸汽气穴,而由于蒸汽空穴的破裂通常比气体空穴或者空隙空穴要低,为了降低能量耗散,空化强度较低为好(Vichareetal.2000。
液体哨反应器
液体哨反应器是一个嵌入式均质设备,采用高压和空化能量在液流内部产生一个称为“喷气音”的物理现象。
工艺流体受到极高的压力,当流经一个特别设计的唇形孔板和刀片时,流体受到剪切,形成涡流。
涡流射向与原流体矢量垂直的方向,产生振荡,这样液流内部就产生了超声现象,使流体成泡。
孔板和叶片之间的距离是可调的,并且通过在混合箱尾端连接一个背压阀就可以控制系统的入口压力。
这类设备的流体回路与前面讨论过的其中一个就是低压水力空化反应器相似,但是液体哨空化反应器的回路所产生的压强相对较高(Chandetal.2007。
这个系统所采用的装置在控制空化活动方面有一定的局限性,因为空腔的尺寸或多或少被固定了,不能调节。
通过上面关于各种各样的水力空化设备的讨论,很容易得到一个结论,那就是孔板装置的操作弹性最大,也可以用于相对大规模的场合。
应当指出的是液体哨空化器的比例放大相对较易。
处理规模扩大,反应器的参数(流量和电压)增加,泵的效率相应增加,必定会增加能量效率。
当然,灵活选择空化箱(尺寸、数量、孔板数量和孔板组合)可以很好的控制系统产生的空化强度和达到相同空化效果的能量需求。
对应用于特殊用途的特定类型空化装置的选择给出一些建议是很必要的。
MoholkarandPandit(2001a,b已经尝试过解决这个问题,并研究了文丘里管和孔板这2种不同类型流体结构的空化流中的空泡在不同操作参数下的对比效果。
在文丘里管的情况,大部分稳定的径向振荡空泡运动是因为压力按照线性梯度回复,然而由于湍流速度的波动而引起的额外振荡压力梯度,孔板情况的径向振荡空泡运动将出现稳定振荡和瞬时空泡行为。
而且,通过孔板的流体压力下降远比通过文丘里管高。
导致有大部分的能量可以用于空化。
因此,使用孔板的空化强度要高于文丘里管,因为孔板瞬时空化的作用。
这个模拟能够给出了研究水力空化反应器所产生的空化强度的明朗趋势,这个模拟是操作参数/设计参数的函数,可以为水力空化反应器的优化打下基础。
这个模型也可以为给定设计参数的空化反应器量化温度和压力脉冲,水力空化反应器设计的一些重要策略在下面给出:
1.孔板装置适用于要求剧烈空化工况,反之,温和空化过程和基于物理效应转变的场合,文丘里管更适合,能量效率也高。
2.在文丘里管情况,增强空化强度的最经济方法是减小文丘里管的长度,但是对于体积流量很大的场合,因为有可能发生流体不稳定和超空化,最好不要选择文丘里管。
对于文丘里管情况,增加空化强度也可以采用相似的办法,那就是减小文丘里管喉咙-管口部位的直径
3.对于孔板情况,调节空化强度的最方便方法是调节孔-管直径和通过调节孔板的孔数和孔直径调节流体横截面积,虽然孔板下游的空泡无规则成长,也可能导致溅液和蒸发。
4.增加管板下游管的尺寸是另一个加强空化效果的方法,但是管径增大要求是在体积流量增大的场合,在相同空化数的情况下,必将增加过程费用。
应用综述
食品消毒
水力空化产生物理压力是使细胞灭活的机理,因此水力空化反应器可以单独或者是联合其他传统的热处理方法进行食物消毒。
使用水力空化反应器的优点是能耗低,且水力空化处理能达到低温杀菌和食品保鲜的效果。
Millyet等人已经论述了空化反应器在流体食物消毒中的应用,包括应用于土豆汁、苹果汁、脱脂牛奶消毒。
已经证实水力空化能够产生足够大的压力,使细菌、酵母菌、酵母菌囊孢子、耐高温细菌的囊孢子灭活。
常见的腐生菌比如乳酸菌和酵母菌在低温条件下也可以灭活,在空化和低温的协同作用下进行杀菌消毒。
高酸流体食物的商业无菌具有很大的危险性,水力空化也具有一定的危险性,很大程度上是因为水力空化的加工温度(65.6℃以上)适宜,SPR转子转速和SPR滞留时间最大化而引起的食物出口温度升高。
使用水力空化反应器的主要优点是食物消毒时操作温度低,因此流体食物如酸性果汁、色拉调料、和牛奶可以在低温条件下安全操作,加工出优质食物。
最近,Milly等人(2008也研究了激波反应器用于苹果汁中的酿酒酵母灭活工程。
结果表明:
与热处理方法进行灭活相比较,用激波反应器在低温(65.6℃-76.7℃)条件下进行充分的空化处理,可以加强酿酒酵母灭活的效果。
比较使用空化反应器处理和使用传统方法以及使用脉冲电场处理的能量耗散可以证明,空化处理的能量耗散明显低于其他2种(173kJ/kg-215kJ/kg-258kJ/kg),而且在果汁加工业中采用水力空化进行杀菌灭活可以显著提高工程效率。
已经证实了水力空化设备对于大企业可以很容易成套使用,反应器按照比例缩放,可以达到节能、高效的效果(55%-84%)。
另一个食物消毒的方法是通过直接注入蒸汽(DeBonisandRuocco2010,如果注入的蒸汽刚好合适也能产生水力空化。
这个技术可以获得更大的功效,因水力空化产生的蒸汽和机械效应对微生物活动产生综合的热效应,而且因为注入蒸汽使过程的能量效率比通过改变流体流动和流体压力的水力空化获得的高(Mahulkar等人(2008。
Mahulkar等人(2008论述了直接往冷水里注入蒸汽可以有效产生空化,能量效率比传统的水力空化方法高。
他们也论述了这种方法产生的空化现象从实验和数值上来看,这种方法产生的空泡破裂工况和水力空化产生的差不多。
尽管这种方法看上去很令人期待,但是还需要进行大量的工作以弄明白它的其他应用。
通过以上这些对流体食物加工的例子表明利用水力空化这种过程加工技术允许加工企业尽量不采用热处理方法加工流体食物,而且可以延长如苹果汁等易变质食品的保鲜期。
减小使用热处理方法,从而保证易变质食品的质量,用水力空化方法处理的调料是如今超市调料优质产品,在如今的超市里,“新鲜挑选”和健康/营养的产品引领消费趋势
微生物细胞破碎
工业上重要微生物成分的经济生产的核心因素是一个高效大规模的细胞破碎工程(Geciova等人2002;Harrison2002。
高效微生物细胞破碎技术的缺乏总是阻碍细胞内派生物的商业大规模生产。
对于微生物细胞大范围破坏,可以采用如高速磨粒搅拌机和高压搅拌器等的机械粉碎机,但是这2种方法的能量效率都只在5%-10%,大部分的能量都以热能的方式耗散了,而这些耗散的能量需要及时高效地带走以保持这些半成品的完整性。
为了提高细胞破碎效率,最近10年人们对新技术开发包括超声空化和水力空化表现强烈的兴趣。
Harrison和Pandit(1992第一个论述了在细胞破碎过程中使用带节流阀的水力空化器装置,通过调节节流阀控制流量而产生空化。
紧接着,Shirgaonkar等人(1998明确证明了高速搅拌器和高压搅拌器中释放大量的酶/蛋白质的处理对空化效果的需求。
Save等人(1994使用通过调节节流阀控制流量产生空化的水力空化反应器破碎压缩酵母形式的面包酵母和啤酒酵母细胞,结果表明处理时间和流程的增加,细胞破碎和蛋白质释放的程度相对增加。
悬浮液中的细胞浓度对细胞破碎有明显影响,因为酵母菌的成长期要求的最佳浓度与衰亡期是不同的,所以悬浮液的细胞浓度
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