Ультразвук и его применение

Сыр - высокоценный пищевой продукт. Он содержит большое количество легкоусвояемых полноценных белков, молочного жира, различных солей и витаминов. Особенно богат сыр минеральными веществами. Велика роль сыра в лечебном питании при малокровии, желудочных заболеваниях, характеризующихся понижением кислотности. Сыры, особенно острые, возбуждают аппетит, а белки сыра усваиваются на 98% . В домашних условиях, пользуясь традиционными рецептами, можно приготовить несколько видов сыров. Однако всякое приготовление сыра немыслимо без сычужного фермента.

Фермент на фабриках изготавливается из сычугов жвачных животных или желудков свиней (пепсин). При отсутствии сычужного порошка или пепсина заводского изготовления можно использовать экстракт, приготавливаемый с помощью фитомиксера из сухих ягнячьих или телячьих сычужков или желудков свиней.

Технология приготовления сычужного экстракта достаточно проста. При забое ягнят или телят вырезанный сычужок освобождают от содержимого и в расправленном виде высушивают в тени, а затем измельчают. Измельченное сырье замачивается и экстрагируется с учетом приведенных выше требований. По данным работы [33] активность заводского порошка сычужного фермента - 100 тыс. ед., активность экстракта, полученного традиционным способом - 800 тыс. ед., а получаемый с помощью ультразвука экстракт имеет активность - 1670 тыс. ед. Выход фермента, при обработке ультразвуком, получается на 35% выше, чем к контрольной партии.

Необходимое количество фермента (1 мл на 10 л) вливают в молоко, предварительно гомогенизированное в фитомиксере и сняв ультразвуковую колебательную систему со стакана фитомиксера в течении 10 минут производить ультразвуковое воздействие на весь объем заквашенного молока (10 л). Такое воздействие раздробит фермент , равномерно распределит его по всему объему молока и ускорит ферментацию, т.е. сократит время приготовления сыра.

Препараты из свежих растений содержат значительно больше активных веществ, чем из высушенного сырья. В этих препаратах и соках содержится весь комплекс веществ в их естественном виде. Традиционные способы изготовления соков и извлечений из свежих растений и плодов заключается в прессовании предварительно измельченного сырья в специальных матерчатых мешках или салфетках. Малосочные растения измельчают и настаивают со спиртом в течении длительного времени (10-15 суток). В обоих случаях живые клетки оказывают сопротивление внешнему воздействию, т.е. во время прессования не все клетки раздавливаются, а при действии спирта его проникновение внутрь клеток идет очень медленно. Поэтому, при приготовлении соков и извлечений, стремятся измельчить исходное сырье до мелкодисперсного состояния.

Но это не всегда дает только положительный эффект, так как при этом в раствор выходит большое количество балластов (белков, пектинов и др.). Проведенные исследования подтвердили эффективность диспергирующего действия ультразвука для увеличения сокоотдачи при обработке свежего сырья (в том числе, лекарственного).

Под действием ультразвука проницаемость оболочек клеток увеличивается и процесс извлечения биологически активных веществ ускоряется. Ультразвуковая обработка мезги свежих листьев алоэ, корней белладонны, травы ландыша, листьев очистка большого, подорожника, каланхоэ, капусты перед прессованием, увеличивает выход сока из сырья в среднем на 10%. Получаемые соки более прозрачны, чем получаемые обычными способами. Оптимальное время обработки составляет 20-30 мин. Вкус и основные показатели приготовленного продукта при ультразвуковой обработке не изменяются.

При приготовлении извлечений из свежих малосочных растений наибольший выход основных действующих веществ происходит через 15-20 минут обработки.

В отдельных случаях ультразвуковая обработка позволяет увеличить выход суммы извлекаемых полезных веществ на 5-7% ( например, из травы донника белого и желтушника, корней радиолы розовой).

Кроме приготовления лекарственных соков и извлечений ультразвуковое воздействие повышает эффективность извлечения пищевых соков (например, из мезги винограда и различных ягод).

Сокоотдача винограда увеличивается с увеличением времени ультразвукового воздействия. Так при 30 минутной обработке выход сока увеличивается с 66 до 71% после первого прессования и с 74 до 79% после второго прессования.

Время обработки мезги дробленных ягод в течение 20-30 мин является оптимальным, так как дальнейшее время обработки становится малоэффективным. Оптимальное время обработки в фитомиксере зависит от высоты слоя обрабатываемого сырья (т.е. от обрабатываемого объема). При объеме измельченного сырья 200-300 мл достаточно 10 мин обработки. При увеличении объема до 500-700 мл время обработки следует увеличивать до 20-30 мин.

Вкусовых изменений в соке при обработке винограда ультразвуком, по результатам дегустационных проверок, не обнаружено.

Таким образом, ультразвуковая обработка предварительно измельченного винограда и других ягод, позволяет на 10- 15% увеличить выход сока. При обработке окрашенных сортов винограда и ягод резко повышается интенсивность окраски получаемого сока. Приготавливаемый в домашних и производственных условиях виноградный сок является насыщенным раствором винного камня, который необходимо удалить из сока. В производственных условиях кристаллизация винного камня производится путем выдержки виноградного сока в течение трех-четырех месяцев в 10 литровых стеклянных баллонах при температуре 0-3 град.

Такая продолжительная выдержка, даже в производственных условиях, технологически очень не выгодна, т.к. требует больших площадей и энергозатрат. В домашних условиях такая выдержка создает большой перерыв между получением сока и приготовлением конечной продукции.

Ультразвуковое воздействие на сок при низких температурах (-2...+2) интенсифицирует процесс выпадения винного камня.

Оптимальный режим обработки заключается в ультразвуковой обработке сока в течение 20-40 мин с последующей выдержкой сока на холоде в течение 2-3 суток. Это обеспечивает удаление необходимого количества винного камня.

Ультразвуковая обработка зерна и семян перед посадкой интенсифицирует процесс прорастания, повышает урожайность различных культур в среднем на 20...40%.

Так обработанные ультразвуком зерна ячменя дают всходы на 2-3 дня раньше, чем контрольные посадки, длина колоса и количество зерен в нем увеличиваются на 30%, количество стеблей от одного зерна также увеличивается на 25-30%.

Механизм ультразвукового воздействия на зерна и семена до конца не исследован. Ясно только, что ультразвук способен стимулировать жизненные силы, заложенные природой в каждую сельскохозяйственную культуру.

Экспериментальные исследования позволили установить, что ультразвуковое воздействие в большей или меньшей степени, но всегда положительно влияет на процесс прорастания зерен и семян и увеличивает урожайность. Максимальное повышение урожайности отмечено у дынь - на 46%.

Обработка семян огурцов перед посадкой ультразвуком приводит к тому, что междоузлия на взрослом растении (места образования плодов) формируются в полтора раза чаще, получаемые плоды отличаются от контрольных вкусом.

Обработка семян томатов ультразвуком позволила установить, что после посадки кусты разрослись сильнее, плодов образовалось больше, созрели они быстрее, чем контрольные. Анализ состава плодов показал, что обработанные ультразвуком томаты имели большее количество витаминов, чем контрольные.

Хорошие результаты были получены автором при обработке ультразвуком семян капусты, моркови, свеклы, лука.

При обработке семян ультразвуком в них можно вносить необходимые микроэлементы, уничтожать возбудителей болезней и вредителей, активизировать ферменты.

Так например, ультразвуковая обработка семян редиса в растворе органических удобрений повышает урожайность на менее чем в 2 раза.

При ультразвуковой обработке зерна и семян с помощью фитомиксера "АЛЁНА" необходимо учитывать следующее.

Обработка семян и зерен может осуществляться в воде или в водном растворе микроэлементов и удобрений. Обычно в качестве такого раствора используется водный раствор марганцовокислого калия. Такой раствор позволяет не только внести необходимый растениям калий, но и произвести предпосевную дезинфекцию семян.

Предварительно подготовленный слабый раствор марганцовокислого калия (бледно розового цвета) в количестве 200-250 мл. вливается в стакан миксера и в него помещаются обрабатываемые семена. Количество семян (по объему) не должно превышать 10 - 30%. Мелких семян допускается обрабатывать больше.

Время обработки семян не более 5 минут, время обработки зерен не более 10 мин. Признаком достаточной обработки может служить изменение цвета водного раствора с розового до светло-желтого. При обработке семян в маленьких стеклянных объемах (менее 200 мл) время обработки должно быть уменьшено до 3 мин. При обработке зерна в больших объемах (например, в трехлитровых банках) допускается обрабатывать до 1 кг зерна, обеспечивая его перемешивание. В этом случае время обработки составляет 20 минут и перемешивание зерна осуществляется через каждые 1-2 мин.

Рекомендации, изложенные в предыдущих разделах позволят вам с помощью фитомиксера подготовить растворы и экстракты удобрений, в том числе экстракты и настои дезинфицирующих веществ из растительного сырья.

Кроме вышесказанного, фитомиксер "АЛЁНА" может быть использован для фонофореза (введения) антибиотиков в яйцо перед закладкой в инкубатор.

Ультразвуковое снятие заусенцев основано на эффекте увеличения эрозионной и кавитационной активности звукового поля при добавлении в жидкость мелких абразивных зерен, размер которых соизмерим с радиусом действия ударной волны, возникающей при захлопывании кавитационной полости (1-100 мкм). Кроме чисто кавитационного разрушения наиболее слабых участков деталей заусениц - происходит дополнительная их обработка абразивными зернами.

Снятие заусенцев осуществляется в стакане фитомиксера, заполненном водно-глицериновой смесью, в которой взвешены мелкие абразивные зерна. При возникновении акустических течений зерна абразива и детали из-за различия плотности и размеров получают неодинаковые скорости. При взаимном проскальзывании абразивных зерен и деталей происходит снятие заусенцев.

В качестве абразива рекомендуется применять электрокорунд, карбид кремния, карбид бора с размером частиц 3-20 мкм. Наиболее универсальна и широко применяется суспензия, содержащая воду, глицерин и абразив в соотношении 1:1:1. Могут удаляться заусенцы до 0.1 мм с мелких деталей (массой до 10г) из различных сталей, латуни и пр. Одновременно в стакан фитомиксера можно загружать детали в 2-3 слоя. Химически активные добавки интенсифицируют процесс обработки; например, 2%-й раствор медного купороса снижает время обработки на 93%.

Ультразвуковые колебания обеспечивают более быстрое и глубокое по сравнению с другими методами понижение концентрации растворенного в жидкости газа. Ультразвуковая дегазация жидких сред применяется в металлургии (очистка сплавов от примесей), нефтепереработке (удаление метановых фракций из нефти), для выделения газов из растворов смол, трансформаторного масла, вискозы, соусов, напитков, мягкого пива, шоколада, растительного масла, крахмальных и желатиновых эмульсий и пр.

В ряде случаев для предотвращения коррозии аппаратуры необходима дегазация смазочных материалов, воды (удаление растворённого в них кислорода). Большие возможности имеет применение ультразвуковой дегазации в электрохимии при нанесении покрытий. Обычно на катоде выделяется водород, что приводит к образованию пузырьков при осаждении металла и, как следствие, снижению прочности покрытий. При применении ультразвуковой дегазации получаются прочные, лишенные пор покрытия. Кроме того, в звуковом поле увеличивается КПД и плотность электрического тока, сокращается время, необходимое для нанесения покрытия заданной толщины.

При проведении операций ультразвуковой дегазации может использоваться стакан фитомиксера и обработка осуществляться в нем. Кроме того может использоваться только ультразвуковая колебательная система, снятая со стакана миксера.

В электронике, приборостроении, радиотехнике, оптике, точном машиностроении, медицине и фармакологии большой удельный вес занимает производство мелких и средних деталей, работа с лабораторными посудой и инструментом, в технологию изготовления и обработки которых включены операции очистки.

Основные преимущества ультразвуковой мойки и очистки перед всеми известными методами удаления загрязнений следующие: быстрота и высокое качество очистки, механизация трудоёмких ручных операций, исключение дорогостоящих токсичных и взрывоопасных растворителей и замена их более приемлемыми щелочными растворами, обработка изделий сложной конфигурации, возможность в ряде случаев удалять загрязнения, не поддающиеся удалению другими методами.

1.2. Применение ультразвуковых многофункциональных аппаратов для обработки твердых тел

В связи с широким применением полимерных материалов в домашнем хозяйстве и различных отраслях промышленности, возникает необходимость в соединении однородных и разнородных полимерных деталей, пленок, текстильных материалов на основе химических волокон.

В настоящее время используется большое количество разнообразных способов соединения полимерных материалов, таких как: клеевой, тепловой токами высокой частоты. Каждый из этих методов имеет существенные недостатки. Так, тепловой способ, не обеспечивает необходимой прочности, а формируемый им шов является хрупким. Высокочастотный способ соединения может использоваться только для полимеров с высокими диэлектрическими потерями, так как основан на поглощении полимерным материалом энергии токов высокой частоты, вызывающей внутренний разогрев материала. Поэтому, высокочастотный способ не пригоден для множества широко распространенных материалов, например, для полиэтиленовых пленок.

Большой проблемой является также соединение тканей на основе синтетических волокон. Использование обычных способов соединения в этом случае не всегда приемлемо из-за высокой упругости синтетических волокон.

Наиболее перспективным способом решения проблем соединения полимерных материалов является ультразвуковой способ, обеспечивающий прочный, долговечный и эластичный шов, высокую производительность процесса, безопасность и возможность легко автоматизировать процесс. В настоящее время ультразвуковая сварка является одним из наиболее эффективных, малоэнергоемких и наиболее широко используемых для соединения полимерных материалов способов.

Анализ технических возможностей ультразвукового способа соединения полимерных материалов (сварки) применительно к решению перечисленных проблем позволил выявить его несомненные достоинства, к основным из которых относятся:

1. Возможность получения надежного шва при температуре, меньшей температуры плавления материала, что позволяет избежать термического разложения материалов в воздухе (т.е. исключить выделение хлора и содержащих его продуктов в атмосферу.

2. Возможность повышения качества герметизирующего шва за счет увеличения (в миллионы раз) диффузионного взаимопроникновения свариваемых материалов, обусловленного знакопеременными механическими напряжениями в ультразвуковом поле высокой интенсивности.

3. Возможность снижения, по сравнения с тепловым способом, формирующего шов сварочного усилия до значений, значительно меньших предела текучести свариваемого материала, что позволяет значительно снизить массогабаритные и стоимостные характеристики устройства сжатия полимерных материалов и обеспечить соединение полимерных материалов вручную с помощью колебательных систем многофункциональных ультразвуковых аппаратов.

4. Возможность сварки материала, на поверхности которого имеются механические загрязнения или нанесены жидкие, вязкие и жировые пленки.

5. Ультразвуковая сварка осуществляется односторонним способом и ультразвуковую энергию можно вводить на значительном расстоянии от места соединения.

6. При ультразвуковой сварке полимерных материалов максимальный разогрев происходит на соединяемых поверхностях, что исключает перегрев материала по толщине.

7. При сварке ультразвуком на соединяемых выступах нет напряжений и отсутствуют радиопомехи.

С помощью ультразвука легко и качественно соединяются любые термопластичные материалы, к которым относятся: полиэтилен, полипропилен, полистирол, поливинилхлорид, полиамид, полиакрилат, поликарбонат и др.

В процессе действия ультразвуковых колебаний такие пластмассы, разогреваясь, переходят за сравнительно короткий промежуток времени в высокоэластичное состояние, а при дальнейшем повышении температуры в вязкопластичное состояние. Термопластичные материалы способны к многократному нагреву, не теряют исходных свойств и сохраняют свою структуру.

Основным недостатком ультразвукового способа сварки является невозможность соединения термореактивных пластмасс (их невозможно соединять и любыми другими способами, связанными с нагреванием).

Наибольший экспериментальный материал накоплен по соединению изделий из органического стекла, полихлорвинила, полиизобутилена, полистирола и полиамида.

Легче всего с помощью многофункциональных ультразвуковых аппаратов выполнить нахлесточные и тавровые точечные соединения с помощью рабочих инструментов. С помощью этих же инструментов можно выполнять шовные соединения и соединения по контуру.

Технология сварки заключается в следующем. На опору, (желательно массивную), в качестве подкладки укладывается резина, которая отражает часть энергии в свариваемые материалы. Применение подкладки из эластичного материала обеспечивает высокое качество швов при малом давлении и времени сварки. На подкладку, при выполнении нахлесточного соединения укладываются в два или более слоев свариваемые материалы. При выполнении точечной сварки, рабочий инструмент прижимается к свариваемым материалам с усилием, меньшем предела текучести, генератор многофункционального аппарата включается на время, необходимое для перевода материалов в вязкопластичное состояние (0,5......5 сек), затем генератор автоматически (с помощью таймера) или принудительно выключается. После выключения генератора статическое усилие на рабочий инструмент удерживается в течении 1...2 сек для стабилизации сварного шва.

В качестве примера рассмотрим режимы ультразвуковой сварки винипласта и полиэтилена.

При ультразвуковой сварке винипласта толщиной от 5 до 10 мм с помощью крестообразного соединения или соединения встык при амплитуде колебаний рабочего инструмента колебательной системы около 35 мкм и усилии зажатия в пределах от 50 до 70 кг (усилие создавалось вручную) качественное соединение получалось при времени ультразвукового воздействия 2...3 сек. Полученные таким образом швы разрушались лишь при усилиях 230...240 кг (разрушение происходило вблизи шва). Использовался резиновый отражатель толщиной 5 мм.

При ультразвуковой сварке, без применения резинового отражателя, полиэтилена толщиной 2....3 мм ультразвуковыми колебаниями с амплитудой 35 мкм и усилии сжатия всего 5 кг время воздействия было от 0,5 до 2 сек. Для разрушения таких соединений достаточно усилий порядка 50 кг.

Приведенные результаты показывают, что прочность сварного шва практически равна прочности основного материала. Кроме того, при сварке вдоль направления ориентации, прочность, близкая к прочности основного материала достигается в три раза быстрее, чем при сварке поперек волокон.

Следует отметить еще одну особенность (и преимущество перед другими способами сварки) ультразвуковой сварки. Для жестких пластмасс, таких как: полистирол, полипропилен, жесткий ПВХ, полиакрилат, поликарбонат и др., характеризуемых малым коэффициентом поглощения УЗ колебаний, допускается вводить ультразвуковые колебания на значительных расстояниях от места соединения. Подобная методика сварки позволяет располагать рабочий инструмент для ввода ультразвуковых колебаний на расстоянии до 20 мм от сварного шва, обеспечивая тем самым возможность осуществлять сварку в труднодоступных местах.

Кроме пластмасс, с помощью многофункциональных ультразвуковых аппаратов можно соединять полимерные пленки полиэтилена, полипропилена, полистирола, полиамидов, а также различные ткани, содержащие синтетические волокна, нетканые материалы с поливинилхлоридным, полистирольным и полипропиленовым покрытием.

Достаточно легко осуществляется соединение пленок с бумагой (ламинирование) и хлопчатобумажной тканью.

Многофункциональные аппараты могут быть использованы для сварки различных оболочек, используемых в качестве тары для хранения жидкостей и сыпучих тел, а также для упаковки изделий.

Многофункциональные ультразвуковые аппараты могут быть с успехом использованы в автоматических установках для соединения пленок и листов толщиной от 50 мкм до 3 мм. При этом может быть обеспечена скорость сварки в пределах от 1 до 10 м/мин.

При использовании многофункциональных аппаратов в автоматизированных сварочных установках для выполнения непрерывной полосовой сварки, вместо рассмотренной колебательной системы с рабочими инструментами N 3 и N 4 могут быть использованы катящиеся ультразвуковые колебательные системы. В таких колебательных системах используется кольцевой (трубчатый) пьезоэлектрический элемент. Для излучения ультразвуковых колебаний используется цилиндрическая поверхность пьезоэлемента, перекатывающегося по поверхности свариваемых материалов.

Передача высокочастотной электрической энергии на электроды вращающегося пьезоэлемента осуществляется через индуктивный токосъемник, выполненный в виде двух катушек индуктивности, расположенных на общем замкнутом сердечнике магнитопровода.

Один из участков магнитопровода проходит внутри трубчатого пьезоэлемента и механически связанной с ним катушки индуктивности

Эта катушка индуктивности электрически подключена к электродам пьезоэлемента и вращается вместе с ним.

Вторая катушка, расположена на другом (противоположном) участке магнитопровода, электрически соединяется с генератором электрических колебаний, и во время вращения пьезоэлемента остается неподвижной.

2.1. Диагностика