کاربردهای اولتراسونیک

خانه / سایر موارد / کاربردهای اولتراسونیک

کاربردهای اولتراسونیک

در سایر موارد
کاربردهای اولتراسونیکReviewed by رضا فرضی on Dec 2Rating: 5.0کاربردهای اولتراسونیککاربردهای اولتراسونیک

مقدمه

امروزه از نیروی فراصوت به عنوان یک تکنولوژی جدید ( از ابتدای قرن بیستم ) و امید بخش برای فراوری مواد غذایی در صنعت بهره برداری می شود. اولتراسوند در حقیقت شکلی از انرژی است که توسط امواج صوتی در فرکانس هایی که برای انسان قادر به تشخیص نیست ( بالاتر از ۲۰۰۰۰ هرتز) ایجاد می شود. اگرچه انسان نمی تواند امواج فراصوت را بشنود ولی اگر در مهرض آن قرار گیرد دچار سرگیجه، تهوع و سردرد می شود.

تولید امواج فراصوت

دستگاه های تولید امواج فراصوت از سه قسمت اصلی تشکیل شده اند

- ژنراتور: در ژنراتور نیروی الکتریکی لازم و فرکانس جریان الکتریکی که پارامترهای موثر بر شدت امواج فراصوت می باشد تنظیم میشود بایستی توجه داشت که جریان الکتریکی از نوع متناوب یا AC می باشد. در واقع ژنراتور ولتاژ لازم را برای فرکانس های بالاتر از ۲۰ کیلوهرتز فراهم می کند و آن را به سمت مبدل انتقال می دهد

- مبدل: در واقع شامل پیزوالکتریک یا المنت های کریستالی است که با اتصال جریان الکتریکی مرتعش می شوند و درواقع نیروی الکتریکی را به نیروی مکانیکی تبدیل میکنند

- پروب: پروب در واقع رابط بین مبدل و محیط انتشار دهنده امواج فراصوت است که به مبدل متصل شده و بوسیله آن امواج تقویت می شوند.

معمولا نحوه ی اثر دهی امواج فراصوت به دو شکل می باشد
مستقیم Directly: که در آن پروب مستقیما در نمونه مورد نظر قرار می گیرد
غیرمستقیم Indirectly: که در آن پروب در تماس مستقیم نیست و انرژی آن از طریق یک محیط واسطه به نمونه انتقال می یابد. این روش برای نمونه های با حجم خیلی کم به کار می رود تا نمونه به بیرون پاشیده نشود

طبقه بندی اولتراسونیک:
معمولا برای طبقه بندی کاربردهای اولتراسوند میزان انرژی ایجاد شده ناشی از آن مدنظر قرار میگیرد.

-اولتراسوند کم انرژی یا غیرمخرب یا Non destructive (فرکانس های بالاتر از ۱۰۰ کیلوهرتز): معمولا تغییرات فیزیکی و شیمیایی زیاد و شدیدی ایجاد نمی کند و انرژی زیر W/cm2 1 ایجاد می کند

-اولتراسوند با انرژی بالا یا مخرب یا Destructive (فرکانس های بین ۲۰ تا ۱۰۰ کیلوهرتز): که تغییرات فیزیکی و شیمیایی آن تا حدی است که حتی ساختار را نیز می تواند تغییر دهد
نکته: با افزایش فرکانس انرژی امواج صوتی کم می شود. معمولا با کوچک کردن قطر نوک پروب می توان شدت فرکانس را افزایش و انرژی حاصل را کم کرد.

کاربرد اولتراسوند غیرتخریبی یا کم انرژی
عمده ترین کاربرد اولتراسونیک غیر تخریبی یا کم انرژی در صنایع خوراکی استفاده آن از به عنوان یک تکنیک آنالیزی برای تعیین خصوصیات فیزیکو شیمیایی، ساختاری و حالت فیزیکی می باشد مانند:
– تشخیص وجود و یا عدم وجود یک ماده یا شی خارجی درون لوله، قوطی یا جایی که امکان دیدن آن وجود ندارد
– شمارش تعداد جسم های عبوری مانند شمارش روی نوار نقاله
– تعیین ضخامت مانند ضخامت لوله، لایه چربی در استیک ها و قطعات گوشت برای درجه بندی آن ، تعیین ترکیب یک ماده
– تعیین سطح مایعات در مخازن
– اندازه گیری سرعت جریان(تعیین سرعت جریان خود در رگ ها در موارد پزشکی)
– تعیین ترکیب و اجزاء تشکیل دهنده یک ماده غذایی

که اساس این کاربردها بر پایه:
تضعیف امواج فراصوت هنگام عبور از یک ماده خوراکی و یا زمانی که طول می کشد تا یک پالس عرض نمونه را طی می کند، می باشد
مزایای روش های انالیزی با اولتراسونیک:
سرعت بالا ، عدم تخریب ساختار، دقت بالا، بازدهی بالا

اولترسونیک تخریبی یا پرانرژی Destructive:
در اولتراسونیک های پرانرژی یا تخریبی تغییرات فیزیکی، مکانیکی و شیمیایی به حدی است که ساختار را می تواند تغییر دهد این تغییر ساختار عمدتا ناشی از پدیده کاویتاسیون یا حفرگی می باشد

پدیده کاویتاسیون:
اولتراسوند هنگامیکه درون یک سیستم بیولوژیکی پخش می شود سبب فشرده شدن و باز شدن محیط به طور متناوب می شود که می تواند انرژی بالایی را پخش کند. اگر هنگام باز شدن یا به اصطلاح رقیق شدن محیط تنش کششی ایجاد شده از تنش کششی محیط آبی تجاوز کند حباب ایجاد می شود که به این پدیده کاویتاسیون یا حفرگی گویند. به بیان دیگر با ایجاد سیکل های انقباض و انبساط مداوم ملکول های آب مرتعش می شوند و در نتیجه با افزایش فاصله ملکول های آب بیش از حد بحرانی یا همان شعاع واندروالسی حباب هایی با فشار و انرژی درونی بالایی تولید شده که موقع ترکیدن انرژی زیادی ایجاد می کنند

اولتراسونیک

کاربرد اولتراسونیک پر انرژی:
۱ – گسستگی سلولی: شکستن بیولوژیکی دیواره سلول ها به منظور آزادسازی بهتر و استخراج ترکیبات موثر درآن. مثلا تحقیقاتی در زمینه استخراج بهتر سکارز از چغندر و نیشکر طی استخراج قند یا استخراج بهتر و موثرتر رنین از معده گوساله.
این روش نسبت به روش های مرسوم استخراج در دماهای کمتر صورت میگیرد و بازدهی بیشتری دارد
۲ – امولسیفیکاسیون: اگر دو مایع غیرقابل اختلاط با هم تحت اثر نیروی حاصل از کاویتاسیون قرار گیرد می تواند طوری مخلوط شوند و ایجاد امولسیون هایی کنند که نسبت به امولسیون های ایجاد شده با سورفاکتانت ها پایدار تر هستند
-افزایش نفوذ حلال طی عصاره گیری: بواسطه تخریب دیواره سلولی و افزایش ضریب نفوذ
-کریستالیزاسیون: در رابطه با هسته دار کردن از طریق هم جهت کردن ملکول ها به عنوان هسته اولیه که در ادامه منجر به رشد یکنواخت کریستال ها می شود

۳ – غیرفعال کردن میکروارگانیسم ها : معمولا غیر فعال کردن میکروارگانیسم ها و آنزیم ها به روش حرارتی صورت می گیرد که میتواند سبب ضایع شدن ترکیبات مغذی، از بین رفتن خواص کاربردی و ایجاد طعم های نامطلوب گردد. از اینرو اگر از هدف استریلیزاسیون و کاهش بار میکروبی به میزان زیاد باشد بایستی از نوع پر انرژی اولتراسونیک و زمان طولانی استفاده نمود. به همین دلیل برای این منظور معمولا فرآیند اولتراسونیک را همراه با سایر تکنیک ها مثل فرآیند فشار بالا(مانوسونیک)، حرارت(ترموسونیک) ، ترکیبی از هر سه (ترمومانوسونیک) و یا تغییرات pH انجام می دهند.
در این رابطه نوع میکروارگانیسم، زمان در معرض قرار دادن امواج فراصوت، حجم ماده خوراکی و ترکیب آن می تواند در غیرفعال کردن میکروارگانیسم ها موثر باشد.
البته در خیلی موارد پس از حذف امواج فراصوت امکان رشد مجدد میکروارگانیسم ها وجود دارد که نتایج محققین نشان داده نگهداری دما تا زیر ۱۹ درجه سانتی گراد از فعال شدن مجدد باسیلوس های میله ای جلوگیری میکند
اثر عمده اولتراسونیک ایجاد حفرات در دیواره سلولی میکروارگانیسم ها می باشد

حساسیت میکروارگانیسم های مختلف به اولتراسونیک:
به جز چند مورد استثناء بطورکلی می توان گفت که سلول های بزرگتر حساستر از سلول های کوچکتر هستند و کوکسی ها مقاوم تر از باکتری های میله ای ، بعلاوه باکتری های گرم مثبت مقاوم تر از گرم منفی ها هستند و باکتری های هوازی نیز نسبت به غیرهوازی ها مقاوم ترند. وضعیت فیزیولوژیکی سلول ها نیز در این زمینه نقش دارند یعنی سلول های جوان تر حساس تر از سلول های مسن ترهستند . سلول های هاگی مقاوم تر از سلول های گیاهی هستند.

۴ – زدودن آلودگی ها از سطوح: طی پدیده کاویتاسیون و ترکیدن حباب ها و آزاد شدن انرژی بالا بر سطوح مختلف آلودگی های مختلف من جمله رسوبات از سطح جدا می شوند. کاربرد بسیار مهم در این زمینه استفاده از اولتراسونیک در زدودن ناخالصی ها و ترکیباتی که منجر به گرفتگی در غشاء ها می شود، می باشد. پدیده گرفتگی یا Fouling در فرآیندهای غشایی موضوع بسیار مهمی است که این فرآیند جداسازی را تحت تاثیر قرار داده است.

۵ – غیر فعال سازی آنزیم ها: که به واسطه انرژی بالا طی کاویتاسیون منجر به دناتوره شدن آنزیم ها و یا تغییر نقطه فعال آنزیم می شود و بیشتر در مورد آنزیم هایی که مقاومت حرارتی کمتری دارند صدق می کند مانند پلی فنل اکسیداز و لیپوکسی ژناز .

به طور کلی آنزیم هایی که نسبت به دما ناپایدارتر هستند نسبت به آن هایی که در برابر دما مقاوم هستند حساسیت بیشتری به فراصوت دارند . آنزیم های کوچکتر نیز نسبت به نوع بزرگتر مقاومت بیشتری دارند.

یکی از کاربردهای موفق در این زمینه غیرفعال کردن آنزیم پکتین متیل استراز است که نقش مهمی در تیرگی رنگ آب مرکبات دارد

کاربرد اولتراسونیک در صنایع گوشت:
برای اولین بار اولتراسونیک برای تشخیص بافت پیوندی در جگر گاو مورد استفاده قرار گرفت و امروزه در زمینه های مختلفی مانند ارزیابی باروری دام، ذبح دام، تشخیص کیفیت و قابلیت برش پذیری لاشه پس از ذبح کاربرد دارد.
یکی از مهمترین عوامل رضایتمندی مشتریان در مصرف گوشت تردی آن است که پس از ذبح معمولا به روش های مختلفی صورت می گیرد مانند:
– آویزان کردن لاشه     – خرد کردن     – استفاده از آنزیم
که فرآیند اولتراسونیک می تواند جایگزین مناسبی به جای فرآیندهای فوق باشد. در واقع فرآیند اولتراسونیک با پاره کردن سلول ها و آزاد کردن Ca++ از کمپلکس اکتین و میوزین جلوگیری می کند و از طرفی نیز با آزاد کردن آنزیم های طبیعی بافت گوشت مانند کاتپسین در تردی گوشت پس از ذبح موثر است. فرآیند اولتراسونیک با شکستن ساختار سارکومری در بافت ماهیچه ای ظرفیت نگهداری آب را افزایش می دهد

کاربرد اولتراسونیک در بیوتکنولوژی:
کاربرد اولتراسونیک در این زمینه بیشتر در حالت کم انرژی و عمدتا برای تحریک رشد سلولی و افزایش بیومس و محصولات سلولی می باشد.

کاربرد اولتراسونیک در روغن ها و چربی ها
برخی از ویژگیهای فیزیکی مواد چرب نظیر بافت و قوام که اهمیت تجارتی دارند بستگی به نسبت چربی جامد به مایع در دامنه خاصی از درجه حرات دارند، بنابراین تعیین میزان چربی جامد(SFC) از اهمیت خاصی برخودار است. سرعت اولتراسوند در چربی جامد بیشتر از روغن مایع است بنابراین اندازه گیری سرعت اولتراسونیک در مخلوط چربی- روغن می‌تواند در تعیین SFC بکار رود. این روش می تواند به سرعت و با دقت، اندازه گیری در نمونه های با SFC پایین را انجام دهد. نسبتاً ارزان قیمت است و به آسانی در محل تولید بکار می رود. از اندازه گیری سرعت اولتراسونیک هم چنین می توان در تعیین ترکیب روغن و کیفیت آن استفاده کرد زیرا تری گلیسریدهای مختلف مایع موجود در روغن ها بدلیل تفاوت ساختمان شیمیائی، سرعت های اولتراسونیک متفاوتی دارند

فرآورده های لبنی:
کاربرد عمده اولتراسونیک با شدت پایین در صنایع لبنیات، تعیین ترکیب شیر و محصولات لبنی یعنی غلظت گلبول های چربی، مواد جامد غیر چرب و کل ماده جامد است. سرعت و تضعیف امواج اولتراسونیک در لبنیات به ساختمان میکروسکوپی و ترکیب آنها بستگی دارد. اندازه گیری میزان تضعیف اولتراسونیک روش مفیدی در تعیین زمان انعقاد شیر و تغییرات ویسکوزیته ظاهری حین انعقاد شیر به صورت غیر تخریبی است. زمانی که شیر منعقد می شود ضریب تضعیف آن به شدت کاهش می یابد. از امواج اولتراسوند در بررسی نحوه رسیدن پنیر ضایعات ساختمان و تشکیل حفرات توخالی در پنیر استفاده می شود زیرا خواص پنیر و تعیین در سرعت و تضعیف اولتراسوند اثر می گذارد. علاوه بر این برای تخمین اندازه و غلظت حبابهای موجود در خامه زده شده و ماست از این روش استفاده می شود. اثر اولتراسوند در افزایش هیدرولیزلاکتوز در شیر تخمیری بالاکتوسیلوس دلبروکی زیر گونه بولگاریکوس بررسی شده است. شیرهای تخمیر شده حاوی مقادیر کمی لاکتوز برای افرادی هستند که نمی توانند لاکتوز را تحمل نمایند. تابش اولتراسونیک سبب رهاسازی بتاگالاکتوزیداز داخلی سلول شده و در نتیجه هیدرولیز لاکتوز افزایش می یابد. از دیگرکاربردهای این تکنیک در صنایع لبنیات شامل تمیزسازی، غیر فعال کردن باکتریها و آنزیم ها و هموژنیزاسیون می باشد

میوه ها و سبزی ها:
درتعیین ویژگی های میوه ها و سبز یها کاربرد دارد. وجود فضاهای هوائی بین سلول بیشترین تأثیر را بر خواص اولتراسونیک میوه ها و سبزیها می گذارد. بنابراین برخی از میوه ها و سبزیها (نظیر سیب، موز، خیار و هندوانه، سیب زمینی و کدو) ضرایب تضعیف بسیار زیادی دارند و سرعت اولتراسونیک آنها کمتر از سرعت اولترا سونیک هواست.

رضا فرضی
رضا فرضی
رضا فرضی هستم متولد 71 در شهرستان دیر استان بوشهر، فارغ التحصیل مقطع کارشناسی رشته مهندسی شیمی دانشگاه خلیج فارس بوشهر و در حال حاضر دانشجوی مقطع ارشد مهندسی شیمی دانشگاه شیراز می باشم..
Recent Posts

ارسال نظر


*

تماس با ما

پیغام خود را بگذارید تا در سریع ترین زمان پاسخگوی شما باشیم.

قابل خواندن نیست ؟ تغییر دهید.. captcha txt

متن خود را برای جستجو وارد نماید

kathoپایان نامه