مقاله چشم اندازی بر کاربرد کاویتاسیون هیدرو دینامیک در صنعت غذا

بخشی از مقاله

چکیده: اصطلاح کاویتاسیون تشکیل و فروپاشی سریع حباب ها درون یک سیال را توصیف میکند که به روش مکانیکی ایجاد میگردد و با ایجاد فشار بالا، نیروهای برشی، حرارت موضعی و تشکیل رادیکال های آزاد همراه میباشد. از این پدیده برای استریلیزاسیون مواد غذایی، تخریب سلول میکروبی، ضدعفونی کردن آب و تصفیه فاضلاب استفاده میشود. مطالعات نشان داده که این فرآیند به منظور پاستوریزاسیون غذاهای کم اسید و استریلیزاسیون غذاهای با اسیدیته بالا موثر میباشد.

برای تصفیه فاضلاب و تخریب سلول میکروبی در مقیاس بالا در مقایسه با سایر روش ها، صرفه اقتصادی بالاتر و اتلاف انرژی کمتری داشته و فرآورده هایی مانند آنزیم ها که با این روش استخراج میشوند، فعالیت خود را تا حد زیادی حفظ میکنند. با توجه به غیرفعالسازی میکروارگانیسم ها در دماهای پایین، حفظ ارزش تغذیه ای و حسی غذاها، کارآیی بالا و کاهش اتلاف انرژی، این فرآیند به عنوان جایگزینی مناسب برای روشهای معمول مطرح میباشد.

مقدمه: اصطلاح کاویتاسیون تشکیل و فروپاشی سریع - کمتر از ثانیه - حباب های پر شده از مایع به دلیل وجود مناطقی با فشار پائین و بالا درون یک سیال را توصیف می کند - . - 10 به طور کلی چهار نوع پدیده کاویتاسیون بر اساس حالت ایجاد پدیده وجود دارد: آکوستیک، هیدرودینامیک، اپتیک و ذره ای.1 اما از این میان تنها کاویتاسیون هیدرودینامیک و آکوستیک توانایی ایجاد تغییرات فیزیکی و شیمیایی در فرآیندها را دارند - . - 4 کاویتاسیون آکوستیک با وجود اینکه یک ابزار موثر برای از بین بردن باکتری ها در مایعات به شمار می رود، اما کاربرد آن محدود به حجم پایین و کاربردهای خاصی همچون استریلیزاسیون تجهیزات پزشکی و دندانپزشکی می باشد. عامل محدودکننده دیگر هزینه بالای انرژی در این روش می باشد.

اما در مقایسه با آن کاویتاسیون هیدرودینامیک کارآیی انرژی بالاتری در ضدعفونی کردن آب دارد - . - 6 در واقع ایجاد کاویتاسیون به روش مکانیکی را با عنوان پدیده کاویتاسیون هیدرودینامیک می شناسیم. - 1 - کاویتاسیون هیدرودینامیک به طور ساده با استفاده از یک مجرای تنگ مانند صفحه دارای منفذ، لوله ونتوری و یا شیری که جلوی جریان را می گیرد2، رخ می دهد. - - 5 سیال درون یک پیکربندی3 رانده میشود که جریان را متلاطم می کند، مانند جریان سیال در نزدیکی سطح جامد و یا در مناطقی با سطح مقطع عرضی کم و زیاد. در این حالت انرژی سینتیک سیال همراه با افت فشار به سرعت بالا تبدیل می شود.

سرعت کم و زیاد موضعی در جریان سیال ایجاد شیب لحظه ای از فشار بخار کاهش یافته می نمایدکه موجب می گردد گازهای محلول و محبوس در سیال و بخار سیال تجمع و انبساط یافته و تشکیل حباب دهند. گرد و غبار، ذرات ریز و موجودات ریز بیولوژیکی ایجاد هسته می کند که حبابها به آن چسبیده، در انجا رشد یافته و سپس متلاشی می گردند. حباب ها فورا به مناطقی با فشار بالا منتقل شده و فرو پاشی رخ می دهد. فروپاشی حباب های پر شده از مایع با آزاد شدن فشار زیاد، نیروهای برشی و حرارت موضعی و در برخی موارد تشکیل رادیکال های آزاد همراه است 9 - ،. - 4 کاویتاسیون هیدرودینامیک منجر به ایجاد نقاط داغ، رادیکال های آزاد شدیدا واکنش پذیر و آشفتگی در جریان مایع می گردد و در نهایت می تواند عملیات فیزیکی و شیمیایی مختلف را تشدید کند.

- در واقع این پدیده شامل تشکیل، رشد و وفروپاشی سریع حباب ها می باشد که طی مدت زمان بسیار کوتاهی - میلی ثانیه - انجام می پذیرد و مقدار زیادی انرژی در محل ترنسفورماسیون ایجاد می شود. دانسیته بالای انرژی - انرژی آزاد شده در واحد حجم - که به صورت موضعی ایجاد می شود منجر به بالا رفتن فشار 5000-100 - بار - و دما -1000 - 10000 درجه کلوین - می گردد و این اثرات در میلیون ها نقطه از رئاکتور مشاهده می شود - . - 12 انتخاب شکل بهینه رئاکتور برای ایجاد پدیده کاویتاسیون هیدرودینامیک به منظور دستیابی به حداکثر اثرات کاویتاسیونی و صرفه اقتصادی از اهمیت بالایی برخوردار است. به این منظور انواع رئاکتورهای موجود مورد بحث قرار میگیرد:

هموژنایزر فشار بالا که یک دستگاه رایج بوده و در اصل یک پمپ جابجایی مثبت فشار بالاست که یک وسیله throttling دارد که بر اساس اصل دریچه کاهش فشار بالا کار میکند. در این شکل از رئاکتور مایع با فشار بالا از یک مجرا عبور میکند که انرژی فشاری آن را به انرژی سرعتی تبدیل میکند. در مقادیر انرژی سرعتی بسیار بالا، فشار به کمتر از حد فشار بخار مایع ایجاد کننده کاویتاسیون می رسد. یک هموژنایزر فشار بالا برای کار کردن در گستره 300-50 اتمسفر طراحی شده است.

یک لوپ هموژنایزر فشار بالا معمولا از یک تانک تغذیه، دو دریچه throttling و دو مرحله هموژنیزاسیون برای کنترل فشار کاری در رئاکتور تشکیل شده است. به جز کاویتاسیون هیدرودینامیک، هموژنایزر فشار بالا به دلیل نیروی برشی شدید ناشی از جریان مایع و برخورد مایع با سرعت زیاد به دیواره جامد، برای فرایند های امولسیفیکاسیونی در صنایع غذایی، داروئی و فرایندهای زیستی نیز مناسب می باشد. یک عیب مهم این نوع رئاکتور این است که کنترل دقیق حجم فعال از لحاظ کاویتاسیونی و بزرگی پالس های فشاری که در انتهای کاویتاسیون شکل می گیرند، وجود ندارد مگر اینکه طراحی دریچه اصلاح شود.

هموژنایزر سرعت بالا: کاویتاسیون همچنین می تواند بوسیله تجهیزات در حال چرخش ایجاد شود. وقتی سرعت صفحه کوچک - - tip وسیله چرخان - - impeller به سرعت بحرانی برسد، فشار موضعی پیرامون ایمپلر افت می کند و به فشار بخار مایع نزدیک می شود. این پدیده منجر به تولید حبابهای مایع می شود. سپس همانطور که مایع از ایمپلر به سمت نواحی مرزی مخزن می رود، همراه با افت سرعت، فشار مایع بازیابی می شود. این پدیده باعث می شود حبابهایی که با توده مایع منتقل شده اند، متلاشی شوند در اینجا هم مانند هموژنایزر فشار بالا یک سرعت چرخش بحرانی برای شروع کاویتاسیون وجود دارد. شایان ذکر است که مصرف انرژی در این رئاکتور بیشتر و انعطاف پذیری برای پارامترهای طراحی کمتر از انواع رئاکتورهای بر پایه دستگاه های کاویتاسیونی فشار پایین مثل اریفیس یا ونتوری می باشد. این دستگاه در سرعت چرخشی 20000-4000 دور بر دقیقه کار می کند .

رئاکتور کاویتاسیون هیدرودینامیک با فشار پایین: در این نوع رئاکتور جریان درون خط اصلی و از یک مجرا عبور می کند که در آن سرعت موضعی به طور ناگهانی و به دلیل کاهش سطح جریان که منجر به کاهش فشار حتی تا زیر فشار بخار مایع می گردد، افزایش می یابد. مجرا می تواند یک ونتوری ویا یک اریفیس تک منفذی یا یک صفحه اریفیس با چند منفذ باشد. صفحات اریفیس دارای چند منفذ می توانند از منافذی با تعداد، شکل و قطر متفاوت ساخته شوند. چنین چیدمانی کمک می کند تا به شدت های مختلفی از کاویتاسیون دست پیدا کنیم و نیز تعداد وقایع کاویتاسیونی درون رئاکتور متعدد خواهد بود.

بنابراین چنین رئاکتوری انعطاف پذیری بیشتری در عمل - کنترل فشار ورودی، سرعت جریان ورودی و دما - و شرایط ژئومتری - چیدمانهای مختلف منافذ روی پلیت - فراهم می کند. بسته به نوع کاربرد و نیازمندیها، شرایط عملیاتی و ژئومتری در رئاکتور انتخاب می شود که اثرات کاویتاسیونی به حداکثر و مصرف انرژی به حداقل برسد. بعنوان مثال تخریب سلولی به شدت کاویتاسیونی متوسط نیاز دارد در حالی که ضدعفونی کردن یک محیط کشت مخلوط از میکروارگانیسم ها به دلیل تنوع در استحکام دیواره سلولی به شدت بسیار بالاتری نیاز دارد.

:Shock Wave Reactor این رئاکتور که توسط Milly و همکاران معرفی شده می تواند برای پاستوریزاسیون و استریلیزاسیون موادغذایی سیال بخوبی استفاده شود. این رئاکتور ترکیبی از سیلندر ساکن درونی و سیلندر چرخان بیرونی است که با یک فضای شعاعی سیال را در خود جای می دهد. کاویتاسیون زمانی ایجاد می شود که روتور درونی که شامل چند منفذ است با سرعت بالا می چرخد در حالیکه در تماس با سیال درونی می باشد.

فشار و سرعت جریان ورودی سیال در فضای شعاعی با استفاده از یک شکل bypass کنترل می شود که اجازه می دهد تا سیال دوباره در مخزن ذخیره سیرکوله شود بدون اینکه در معرض شرایط کاویتاسیونی قرار بگیرد. چرخیدن روتور با سرعت بالا سیال را به سمت منافذی که روی صفحه وجود دارد می راند که در آنجا به دلیل افزایش ناگهانی سطح مقطع عرضی، فشار از روی سیال برداشته می شود. وقتی افت فشار رخ می دهد بخار مایع شکل گرفته و گازهای محلول در ترکیب با بخارات تشکیل حبابها را می دهد که شرایط کاویتاسیون را ایجاد می کند.

:Liquid Whistle Reactor یک وسیله هموژنیزه کننده همراستا میباشد که فشار بالا و انرژی کاویتاسیونی تولید شده در جریان مایع توسط یک پدیده فیزیکی بنام "MHW-HGJH WRQH" را به کار میگیرد. جریانی از مایع تحت فرآوری باعبور از یک منفذ لب شکل و تیغه مخصوص، تحت فشار و نیروی برشی بالایی قرار می گیرد. جت مایع ورتکس هایی عمود بر بردار جریان اصلی ایجاد میکند و نوساناتی شبیه به اولتراسوند در مایع ایجاد میکند که باعث می شود سیال کاویته شود.

فاصله بین منفذ و تیغه قابل تنظیم است و شکل مناسب به همراه دریچه برگشت فشار متصل به انتهای محفظه آمیختگی، فشار ورودی سیتم را کنترل می کند. لوپ جریان برای این نوع رئاکتور شبیه به رئاکتور با فشار پایین است اما میزان فشاری که در اینجا می تواند تولید شود بیشتر است. این وضع قرارگیری، کنترل کمتری بر فعالیت کاویتاسیونی در سیستم ارائه میدهد، چراکه ژئومتری محفظه کاویتاسیون تقریبا ثابت و غیر منعطف است.

از مقایسه انواع رئاکتورها نتیجه می گیریم که نوع صفحه اریفیس از همه منعطف تر می باشد و می تواند برای مقیاس عملیاتی بزرگتر استفاده شود æ    قابل ذکر است که scale up چنین رئاکتوری همانطور که اندازه - سرعت جریان وسرعت تخلیه - و کارایی پمپ افزایش می یابد، آسان تر خواهد بود که لزوما منجر به کارایی بالاتر انرژی در مقیاس عملیاتی بالاتر می گردد. همچنین انعطاف پذیری در انتخاب محفظه کاویتاسیون - اندازه، تعداد و شکل منافذ روی یک صفحه و تعداد صفحات در یک سیستم - کنترل بهتری روی شدت کاویتاسیونی تولید شده و انرژی لازم برای دستیابی به چنین شدتی ایجاد می کند . - 4 -

این تکنیک در صنعت غذا پتانسیل کاربرد در زمینههای مختلف از جمله استریلیزاسیون مواد غذایی، تخریب سلول میکروبی، ضدعفونی کردن آب و تصفیه فاضلاب را دارا میباشد. فشارهای فیزیکی که در نتیجه کاویتاسیون هیدرودینامیک ایجاد می گردد، مسئول غیر فعال سازی سلولی شناخته شده است. ذرات بیولوژیکی در نزدیکی پدیده کاویتاسیون متحمل فشار هایی می شوند که آسیب شدیدی به دیواره سلولی آنها وارد کرده و در نهایت موجب غیر فعال سازی ارگانیسم می گردد - . - 11 سلول های بزرگتر مانند مخمر - 20-5 میکرون - بیشتر تحت تاثیر اثرات کاویتاسیون قرار می گیرند چرا که سطح بیشتری دارند.

اسپورهای باکتریایی مانند باسیلوس ها و کلستریدیوم ها نسبت به سلول های رویشی مقاومت بیشتری به اثرات کاویتاسیونی دارند - . - 2 محققین در سال 2007 کاربرد این روش رادر مورد موادغذایی سیال مانند آب گوجه فرنگی، آب سیب و شیر کم چرب بررسی کردند. نتایج این مطالعه نشان داد که کاویتاسیون هیدرودینامیک یک روش موثر برای پاستوریزاسیون غذاهای کم اسید و استریلیزاسیون تجاری غذاهای با اسیدیته بالا می باشد. این فرآیند نیروی مخرب کافی برای غیر فعال سازی سلول های رویشی، اسپورهای باکتریایی مقاوم به حرارت، مخمرها و آسکوسپور مخمرها فراهم می نماید.

میکروارگانیسم های معمول عامل فساد همچون لاکتیک اسید باکتری ها و مخمرها در دماهای پایین و تحت تاثیر اثرات سینرژیستی کاویتاسیون هیدرودینامیک و دما از بین می روند. اما برای رسیدن به شرایط استریلیزاسیون تجاری در غذاهای با اسیدیته بالا نیاز به اصلاح سیستم و رویه های عملیاتی وجود دارد و انهدام کلی برای رسیدن به شرایط استریلیزاسیون تجاری کافی نیست - . - 10 در سال 2008 نیز محققین از نوعی رئاکتور به نام shock wave برای غیرفعالسازی ساکارومایسس سرویزیه در آب سیب استفاده کردند.

در این بررسی حدود 6.27 سیکل لگاریتمی کاهش در تعداد میکروارگانیسم مورد نظر در دمای پایین فرآوری رخ داد. عده ای دیگر از محققین در سال 2010 از طریق تزریق مستقیم بخار، شرایط ایجاد کاویتاسیون را ایجاد کردند. در این روش اثرات دمایی و کاویتاسیونی در کنار هم بر میکروارگانیسم ها تاثیر میگذارد . - 1 - کارآیی انرژی نیز در این روش بسیار بالاتر است - . - 8 عامل اصلی در تولید اقتصادی ترکیبات مهم میکروبی به صورت صنعتی، فرآیند تخریب سلول در مقیاس بالا است. - 4 - همواره نیاز به عملیات تخریب سلولی، تولید محصولات میکروبی درون سلولی در مقیاس بالا را با تاخیر مواجه ساخته است - . - 3 به منظور تخریب میکروارگانیسم ها در مقیاس بالا از تجزیه کننده های مکانیکی مانند همزن با سرعت بالا و یا هموزنایزرهای فشار بالا استفتده میشود.

اما کارآیی انرژی در این روش ها 10-5 درصد بوده و بقیه انرژی به صورت گرما هدر میرود که این گرما به دلیل ماهیت حساس ترکیبات زیستی بایستی از محیط حذف شود - . - 7 در سال 1992 نخستین بار از رئاکتورهای کاویتاسیونی برای فرآیند تخریب سلول استفاده کردند. در سال 1994نیز محققین از نوعی رئاکتور برای تخریب مخمر نانوایی و مخمر آبجوسازی بهره گرفتند. نتایج نشان داد که با افزایش زمان و تعداد تیمارها، میزان تخریب سلولی و آزادسازی آنزیم نیز افزایش مییابد.

غلظت سلول در سوسپانسیون میکروبی و مرحله رشدبه طور معناداری بر فرآیند تخریب تاثیرگذار میباشد. سلول هایی که در فاز رشد نمایی هستند، در مقاسه با سلول هایی که نگهداری و یا منجمد شده اند، نسبت به فرآیند تخریب حساسیت بیشتری دارند. مقایسه این روش با سایر روش ها از جمله مخلوط کردن و یا اولتراسونیک نشان داد که کارآیی انرژی به ازای آزادسازی مقدار برابر پروتئین، در روش کاویتاسیون هیدرودینامیک بالاتر میباشد. علاوه بر آن با وجود اینکه کاویتاسیون شرایطی ایجاد میکند که دما و فشار به طور موضعی بالا رفته و رادیکال های آزاد تولید می شود، اما فعالیت آنزیم های درون سلولی بدون تغییر باقی می ماند. در تولید ترکیبات درون سلولی به این روش، از طریق تنظیم شدت فرآیند کاویتاسیونی می توان به گونه ای عمل نمود که بر حسب لزوم سلول به طور کامل شکسته æ یا تنها تخریب دیواره سلولی و آزاد سازی پروتئین های موجو در دیواره و یا پری پلاسم رخ دهد.