超声波技术应用下的制糖工业论文

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1超声波作用的机理

超声波被研究应用的领域十分广泛，但是目前认可的作用机理主要是以下几个方面：

1.1强方向性超声波是以纵波的形式在介质内传播，具有频率高、波长短的特点，在一定距离内的直线方向上有很好的束射性和方向性。

1.2高能量、强穿透力超声波比普通声波具有更高的频率，因此其具有高能量。虽然在空气中超声波衰减很强，但是在固体、液体中，衰减很小，因此，超声波被广泛应用于固、液体中。

1.3“空化”效应作用超声波的辐射使被处理液体介质直接产生大量的空穴和气泡，也就是把液体拉裂而形成无数极微小的局部空穴。当这些空穴和气泡破裂或互相挤压时，产生一定范围的强大的激波，从而引起一些系列的二级反应。应用超声波处理流体时，均与“空化”效应作用相关。超声波的物理机制和所引起的一系列物理化学作用对制糖工业是有相当意义的，可应用于制糖过程中蒸发罐的防除垢、车间部分箱罐的杀菌等。

2超声波在制糖行业的应用研究

2.1超声波杀菌作用制糖生产中，由于甘蔗本身就带有较多的细菌，在制糖生产过程中的温度环境以及蔗糖分提取，使得在生产阶段产生相当多的微生物，消耗蔗糖，产生的酸性物质加剧蔗糖的转化，增加澄清、煮炼难度，堵塞一些设备的孔道，对整个制糖生产很不利。解决好制糖过程中的杀菌问题，尤其是压榨工段，可以给企业带来可观的效益。一般，糖厂的杀菌动作主要在压榨提汁阶段，采用的方法有：石灰、高温蒸汽杀菌、二氧化氯。超声波作为一种新兴的杀菌技术已经在乳制品行业、啤酒、果汁等其他食品行业得到应用及认可，在制糖工业中也进行了一定实验应用研究。超声波杀菌技术主要是利用超声波的“空化”作用引起的热学效应。超声波对液体进行作用时，因“空化”作用产生微小气泡核在绝热收缩及崩溃的瞬间，其内部呈现5000℃以上的高温及50000kPa的压力，从而使液体中某些细菌致死，病毒失活，甚至使体积较小的微生物的细胞壁破坏，但是作用的范围有限。影响超声波杀菌技术的主要因素是振幅和频率，其他的因素有：超声波作用时间、灭菌温度以及微生物本身的特性和灭菌的介质环境。李岩等以混合汁为对象，采用超声波杀菌技术进行处理，结果表明：在超声作用时间为30min，功率为500W，超声作用温度为35℃的条件下，超声波对混合汁的灭菌率达到94.2%。东江糖厂的曾剑英采用超声波对糖汁进行杀菌处理，结果表明超声波能取得良好的灭菌效果。

2.2超声波除垢、防垢作用在制糖生产中，蒸发站是整个生产的热能中心，其传热效率的高低影响整个厂的热能效率。而影响蒸发过程效率的主要因素有：（1）传热效率；（2）操作情况，其中传热效率最为关键。对于制糖企业，传统的除垢方法是人工通洗，必要时采用化学煮罐。人工通洗的方法由于采用高压水因此存在较大的安全隐患，且劳动强度大，清洁效果一般。超声波作为一种新型高效而且效果好的除垢手段应运而生。超声波除垢具有节能、免拆卸、无污染、使用简单方便等特点。目前，超声波除垢方法已经得到了广泛的认可，在实验技术方面，超声清洗机已经成为一种常规的实验室清洗仪器；在工业技术方面，超声波技术应用于换热设备，如凝汽器、锅炉、空气冷却器等均取得了良好的效果。陆海勤等等使用自行设计的超声场-静电场协同防垢实验装置进行模拟蒸发实验，结果表明，在声强0.53W/cm2、场强32kV/m时有很好的协同效果，防垢率为78.46%。碘释放法研究表明，在静电场中，超声空化增强。谢彩锋等通过比较研究在超声作用下碳酸钙晶体的形态和大小，结果表明，超声空化效应所产生的微观热量不仅能促进过饱和溶液中碳酸钙晶核的形成，迅速降低溶液的过饱和度，还能改变碳酸钙晶体的形态；经超声处理的碳酸钙过饱和溶液中形成了大量微小的碳酸钙晶体，其中绝大部分为文石，少量为细小方解石，它们长时间悬浮在溶液中，超声的机械效应对碳酸钙晶体形态的影响甚微。丘泰球等通过研究探讨认为，超声波防垢除垢的机理是：（1）超声处理可以缩短溶液中晶体的成核诱导期，提高晶核的生成速度，在溶液中迅速生成大量的微晶悬浮于溶液主体，晶粒长大速度减慢，成垢晶体不易沉积在管壁上，从而减少了积垢的形成；（2）超声的空化与机械作用增大了积垢在溶液中的溶解度，破坏了已形成的积垢，使其松软脱落；（3）超声波还能改变生成的CaCO3晶体的形状及大小，改变形成的积垢的堆积形状，从而起到防垢的目的。丘泰球在糖厂进行了超声波防除垢的连续性生产应用试验，结果表明超声波具有减缓积垢形成速度和破坏已有积垢的双重作用，能提高蒸发系统的传热系数0.6～0.8倍，停止使用化学清洗剂煮罐，缩短通洗时间短，降低劳动强度。姚成灿等以工业糖液作为研究对象，对超声波防除蒸发罐积垢进行了研究。结果表明，超声波可以降低积垢生成速率，提高蒸发罐的蒸发强度和传热系数，起到了良好的防垢除垢效果。艾承泗、俞明介绍了某一公司生产制造的超声波节能器在糖厂的应用实践。自1996年，该设备先后在湛江糖厂、八一糖厂、弄璋糖厂等七家企业进行了生产性应用及改进，取得了良好的防除垢效果，提高了蒸发效率，降低了通罐难度。

2.3超声波在制糖工艺应用研究随着超声波技术及其应用领域的拓宽发展，形成了声化学学科。声化学主要是利用超声波空化作用控制化学反应，通过超声波可以加速化学反应，强化化工单元。超声波在物质提取、物理破碎、有机反应等方面都有应用研究。在制糖方面，利用超声波强化糖分抽出率以及中和硫熏反应等。王鸿生等通过超声波作用圆形甜菜片的渗出过程，研究了超声波对甜菜糖分渗出过程的影响。结果表明，在一定温度下超声波能强化甜菜糖分的渗出速率，影响超声波作用的因素是超声波强度和超声作用时间。刘正西研究了不同超声作用方式和功率对亚硫酸与氢氧化钙中和反应的影响。研究表明，一定超声功率可以缩短亚硫酸钙成核时间，提高中和反应速度，能有效的降低溶液中Ca2+和SO32-的残留量。赵小进以饱和Ca（OH）2溶液与亚硫酸为对象，研究超声作用对两者反应过程的影响，以超声功率、超声作用时间、超声探头深入反应溶液距离作为影响因素。结果表明，超声处理可以明显减少溶液中Ca2+和SO32-的残留量，且超声作用下形成的CaSO3更细小、均匀。鲁聿伦研究了超声波对亚硫酸钙吸附澄清作用的影响，以超声波作用方式、超声功率、超声时间为作用因素。实验结果表明：（1）对清汁色值的影响，在加入PAM后进行超声处理，超声功率为260W，作用时间为30s的条件下，蔗汁脱色率为59.1%；（2）对清汁胶体含量的影响，在加入PAM后进行超声处理，超声功率为195W，作用时间为30s的条件下，蔗汁胶体含量去除率为17.51%；（3）对清汁简纯度的影响，在加入PAM后进行超声处理，超声功率为260W，作用时间为90s的条件下，蔗汁简纯度提高率为1.13%。黄永春等研究了超声强化糖汁的电絮凝脱色作用，实验以赤砂糖配制的15°Bx的糖汁为对象，研究了该糖汁电解后静置絮凝沉降、糖汁电解后超声处理、超声波协同糖汁电解处理对糖汁的脱色效果的影响，结果表明超声波能够促进电解后糖汁的絮凝沉降过程。黄永春等研究制定了一种利用超声波强化硫熏中和反应的制糖澄清工艺方法，采用亚硫酸法澄清工艺，包括：预灰、一次加热、硫熏中和、二次加热、沉降以及强化硫熏中和反应工序。将硫熏中和后的蔗汁通过超声波处理器，对流动的蔗汁施加超声波场能，超声波处理工序设置在硫熏中和工序之后、二次加热之前或是在二次加热之后、沉降工序之前，超声波强化处理的超声波的强度是0.5W/cm～10W/cm；强化处理的时间为1s～300s。该方法能提高蔗汁中和反应速度和反应程度，提高脱色效果、降低清汁残硫量。

2.4超声波结晶技术超声波促进成核结晶过程的机理还不清楚，但是多数认同超声波“空化”效应的作用。超声波结晶的过程中，一方面，在饱和溶液中附加声场，会产生空化气泡，气泡的非线性振动及气泡破灭时产生的压力，会使体系各点的能量发生变化，体系的能量起伏很大，使分子间的作用力降低，从而使得溶液粘度降低，而溶质分子间的碰撞几率增加促进成核；另一方面，当气泡破灭时除了产生压力外，还产生气泡云雾状，降低界面能，使得新生表面的晶核质点变得较为稳定，得以继续长大为晶核。介绍了80年代华南理工大学研究人员发明的“溶剂——超声波协同起晶器”和“五一—智能投粉固晶仪”，更将“五一煮糖法”推进一步，发展到包括起晶、养晶、浓缩的煮糖全过程。超声波协同起晶技术在南北两地都进行了生产实践应用。在甘蔗糖厂方面，高大维等制定溶剂—超声波协同起晶制种法，并在广东的新桥糖厂和顺德糖厂进行生产试用。用该法制得的晶核代替球磨机糖粉投种，蔗糖结晶生长过程平稳、伪晶较少、洗砂次数减少，煮出的乙种和成品糖砂粒齐、闪光度好、色值和浊度都有一定程度下降；炼糖时则可大大减少乙糖高纯度起种而引起的粘晶现象。在甜菜糖厂方面，利用“溶剂——超声波协同起晶制种法”及贯彻煮糖“全晶种养晶法”新工艺的基本过程和初步应用，在生产应用后缩短了煮糖时间，降低了能耗，提高了产品质量，简化了操作方式。但是采用超声波协同制备得到的晶种存在存放条件要求较高、晶种稳定性以及设备安全性、人员配套等问题，在生产应用方面得不到推广。

3小结与展望

经过近些年的研究发展，超声波技术的应用更加广泛了，已经成熟并工业化应用的有超声探伤、焊接技术、超声结晶技术以及超声清洗技术、超声医疗技术；而超声协同反应技术等其他方面的应用研究则是处于实验研究阶段。超声波在制糖工业中的研究应用已经有：杀菌、防垢、起晶种等，但是只有超声波协同起晶以及超声波防除垢进行了工业化应用，其他还处于试验研究阶段。而由于稳定性等种种原因，超声波协同起晶的制种方法已经退出；相反，超声波防除垢技术依然有很大研究前景，尤其是对于蒸发罐积垢很困扰的亚硫酸法糖厂。超声波在其他技术领域的应用也可以运用于制糖生产中。超声波还可以应用于泡沫浮选，利用超声波辅助，可以减小气泡的大小，提高气泡的稳定性，从而提供浮选效率。超声波设备具有价格低、设备稳定、非接触式的特定，可用于过程生产中物料箱的料位测定以及物料、蒸汽等的流量测定。除了拓宽超声波技术在制糖行业的应用范围外，超声波技术在制糖行业的工业化应用研究还有相当长的路要走。

作者：闭安青曾波尹雪洋蓝苏梅单位：广西糖业工程院