Технология и оборудование для обработки пищевых сред с использованием кавитационной дезинтеграции

ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ 
ДЛЯ ОБРАБОТКИ ПИЩЕВЫХ СРЕД
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КАВИТАЦИОННОЙ
ДЕЗИНТЕГРАЦИИ

Рекомендовано Учебно-методическим объединением по образованию 
в области технологии продуктов питания и пищевой инженерии в качестве 
учебного пособия для студентов вузов, обучающихся по направлениям подготовки бакалавров и магистров 260100 «Продукты питания из растительного 
сырья», 260200 «Продукты питания животного происхождения» и 260500 
«Высокотехнологичные производства пищевых продуктов функционального 
и специализированного назначения»

Санкт-Петербург
ГИОРД
2013

УДК 544.57
ББК 24.5
 
Т384

Авторы: С. Д. Шестаков, О. Н. Красуля, В. И. Богуш, И. Ю. Потороко

Т384  
Технология и оборудование для обработки пищевых сред с использованием кавитационной дезинтеграции / С. Д. Шестаков, О. Н. Красуля, 
В. И. Богуш [и др.]. — СПб. : ГИОРД, 2013. — 152 c.

ISBN 978-5-98879-160-7

В книге приведено описание исследований коллектива авторов и их коллег 
из Московских университетов пищевого профиля в области сонохимических 
технологий пищевой индустрии и кавитационных аппаратов. Исследования 
выполнялись главным образом в отношении процессов сонохимической обработки за счет воздействия кавитации используемых для гидратации пищевых 
биополимеров воды, истинных и коллоидных водных растворов, а также содержащих воду дисперсных систем. Описаны результаты исследования безопасности 
такой обработки для получаемых продуктов питания и пищевых полуфабрикатов, а также теории, технической эффективности и безопасности используемых 
кавитационных аппаратов. Сформулирована соответствующая современному 
состоянию пищевой сонохимии концепция, которая раскрывает причины, побуждающие рассматривать ее как отдельный, самостоятельный раздел общей 
сонохимии или химии высоких энергий.
Книга предназначена в качестве учебного пособия для студентов вузов, 
обучающихся по направлению подготовки дипломированных специалистов по 
специальности «Технология продуктов питания».

УДК 544.57
ББК 24.5

ISBN 978-5-98879-160-7 
© ООО «Издательство “ГИОРД”», 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

ВВЕДЕНИЕ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

О кавитации  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

Термины и определения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Кавитация, виды и механизмы кавитационной
дезинтеграции. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Кавитационная область, акустическая ячейка,
кавитационный реактор  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
Другие определения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

Глава 1. ЯВЛЕНИЕ КАВИТАЦИИ И ЕГО ЭНЕРГЕТИКА
 
В ЖИДКОСТИ  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

§1.1. Модель одиночного кавитационного пузырька . . . . . . . . . . . . 29

§1.2. Модель многопузырьковой кавитации
 
в плоско-упругой волне  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

§1.3. Физическое подобие акустических кавитационных
 
процессов  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

§1.4. Модель гидродинамической кавитации в роторных
 
аппаратах. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

Вопросы для проверки усвоения материала первой главы. . . . . . . . 55

Глава 2. ПРЕДМЕТ ПИЩЕВОЙ СОНОХИМИИ  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

§2.1. Роль процесса гидратации в пищевых технологиях. . . . . . . . . 58

§2.2. Требования к параметрам подготовки воды для
 
гидратации и к свойствам гидратируемых биополимеров  . . . 63

§2.3. Методика оценки интенсивности гидратации . . . . . . . . . . . . . 84

Вопросы для проверки усвоения материала второй главы. . . . . . . . 92

Глава 3. ПРИЛОЖЕНИЯ ПИЩЕВОЙ СОНОХИМИИ . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

§3.1. Гидратация белков растительного происхождения  . . . . . . . . . 94

Оглавление

§3.2. Гидратация белков животного происхождения  . . . . . . . . . . . 101

§3.3. Сонохимия в производстве молочных продуктов  . . . . . . . . . 111

§3.4. Сонохимия в производстве пищевых эмульсий. . . . . . . . . . . 117

Вопросы для проверки усвоения материала третьей главы  . . . . . . 125

Глава 4. РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ КАВИТАЦИОННЫХ
 
РЕАКТОРОВ  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

Вопросы для проверки усвоения материала четвертой главы  . . . . 142

ЗАКЛЮЧЕНИЕ  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143

БИБЛИОГРАФИЯ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144

ПРЕДИСЛОВИЕ

В области приготовления пищи всегда присутствует здравый консерватизм в выборе способов обработки. Этот консерватизм оправдан 
тем, что качество получаемого продукта является категорией исключительно субъективной оценки, которая основывается на слабо меняющихся традициях культуры питания. Любой процесс, направленный 
на изменение природных свойств сырья, из которого производится 
тот или иной продукт питания, требует затрат энергии, экономящих 
в дальнейшем энергетические затраты нашего организма при усвоении этого продукта. Понятно, что в пищевом производстве в силу 
тех же традиций главное место давно и прочно занимают процессы, 
основанные на естественных, широко распространенных способах 
передачи энергии. К таким способам относятся различные виды механического измельчения и перемешивания, а также конвективная, 
кондуктивная и лучистая теплопередачи, на которых основаны все 
виды горячей обработки.
Новые виды передачи энергии, которые принес с собой технический прогресс последних десятилетий, с трудом находят себе место 
в пищевой промышленности. Например, суливший поначалу большие перспективы микроволновый способ в конце концов нашел 
применение всего лишь как вспомогательный, применяемый для подогрева продуктов, потребительские свойства которых сформированы традиционными способами. В производстве продуктов питания 
продолжают применяться те же три древнейших способа энергетического воздействия — измельчение посредством резания либо деформации, перемешивание и термическая обработка. Они глубоко 
изучены на протяжении многих веков употребления человечеством 
в пищу продуктов из биологического сырья растительного и животного происхождения.
Эта книга посвящается одному из малораспространенных в пищевых технологиях способу передачи энергии через кавитацию в жидких 
средах, который порождает в них так называемые сонохимические 
процессы, происходящие при действии кавитации.

Предисловие

Причины неудач, сопровождавших на всем протяжении историю 
использования технологий, основанных на кавитации, обусловлены 
проблемами во всех аспектах: формальном описании теории, выборе 
практических методов ее исследования и создании специальной техники.
Во-первых, в области теории кавитации мало уделялось внимания 
тому факту, что элементы конструкции аппаратов, где используется 
в качестве воздействующего фактора кавитация, имеют тот же порядок размеров, что и длина волны порождающего ее ультразвука в обрабатываемой среде. Чаще всего представления о распространении 
ультразвука в этой среде не шли дальше принципов линейной акустики. Модель акустического поля кавитации не была формализована 
в пригодном для имитационного моделирования виде, что не давало 
возможности создавать технологическое оборудование, не прибегая 
к весьма дорогостоящему натурному моделированию.
Во-вторых, отсутствовала методика практической оптимизации 
технологических процессов, основанных на явлении кавитации. Так, 
в подавляющем большинстве экспериментов величина воздействия 
оценивалась в единицах энергии либо объемной плотности энергии без раздельного анализа влияния аспектов воздействия: времени 
и мощности либо плотности мощности. Хотя известно, что существует 
порог плотности мощности, например ультразвукового эмульгирования, ниже которого смешивание фаз не наступает даже при бесконечно 
долгом воздействии, и, наоборот, бесконечное увеличение плотности 
мощности вынуждающего осциллятора не приводит к бесконечному же 
и пропорциональному увеличению дисперсности фазы.
В-третьих, и это общая проблема всех ультразвуковых технологий, 
применяющихся в том числе и в других областях, отсутствовали стабильно работающие мощные и надежные в работе источники одномодовых колебаний ультразвукового диапазона с минимальными потерями, согласующиеся со средами, в которые эти колебания должны 
передаваться. Отсутствие их объясняется трудностями, возникающими 
еще на этапе проектирования и обусловленными отсутствием достоверных критериев оценки и методов адекватных технических расчетов 
реакторов. Не было также математических моделей реакторов, позволяющих осуществлять предпроектное компьютерное моделирование, 
не прибегая к физическим испытаниям реальных образцов.
И, наконец, в-четвертых, уже сама терминология в рассматриваемой области предопределяет неточность и неоднозначность по

Предисловие

нимания сути явлений. Термин «ультразвуковой» применительно 
к воздействующему фактору сонохимического процесса дезинтеграции был принят необоснованно широко. Кроме дезинтегрирующего 
воздействия, известны совершенно противоположные явления, сопровождающие трансформацию энергии колебаний ультразвукового 
диапазона в жидкой среде. Так, наряду с диспергирующим эффектом существует коагулирующий эффект ультразвука, обусловленный 
действием сил Бьеркнеса, поэтому в реальных условиях в реакторе 
произвольной формы может существовать, например, равновесие 
между эмульгированием и коалесценцией фазы эмульсии. Аналогично, при ультразвуковой стерилизации жидкостей, наряду с областями 
поля, нахождение в которых приводит микроорганизмы к летальному 
исходу, могут существовать зоны, где, наоборот, скопления бактерий 
будут разделяться без гибели отдельных клеток, давая жизнь новым 
колониям.
Приведенный выше даже очень краткий анализ состояния проблемы позволяет сформулировать круг задач, которые не решаются средствами, традиционно применяемыми в рассматриваемой области. Теоретические и экспериментальные исследования, результаты которых 
изложены в книге, осуществлены с учетом научных фактов и гипотез, 
известных из многочисленных научных трудов по изучаемому предмету. Однако ряд теоретических аспектов исходит из гипотез, которые 
даже при современном уровне лабораторной техники и методологии 
не могут быть однозначно подтверждены натурным экспериментом. 
Поэтому разработанные научные основы базируются в основном на детерминированных моделях процессов, которые в свою очередь основаны на фундаментальных законах физики и теоремах математики. 
Адекватность этих моделей подтверждается, в том числе, их сверкой 
по заданным параметрам и получаемым при этом результатам с общеизвестными данными, приводимыми другими исследователями. Практическая применимость разработанных научных основ доказывается 
промышленной реализацией созданных на их базе технологических 
процессов и аппаратов, используемых в производстве.
Книга предназначена для использования в качестве учебного пособия студентам высших учебных заведений, обучающимся по направлению подготовки дипломированных специалистов по специальности 
«Технология продуктов питания», в том числе и бакалаврам по указанной выше специальности.

Предисловие

Она начинается с введения, содержащего перечень и толкование использованных терминов, составляющих тезаурус понятий новой отрасли 
знаний — пищевой сонохимии. Введение помогает читателю осмыслить 
явление кавитации и усвоить, что в сонохимии используется дезинтегрирующее действие этого эффекта, по сути являющегося физическим 
эффектом, поэтому сонохимия относится к физической химии, а пищевая сонохимия составляет самостоятельный раздел сонохимии.
В книге четыре главы. Первая — «Явление кавитации и его энергетика в жидкости» — является систематизированным обзором состояния этого предмета на сегодняшний день. В ней приведены следующие 
описания:
• формализованной теории одиночного кавитационного пузырька, 
сопровожденной примерами компьютерного моделирования с применением разработанных оригинальных процедур интегрирования 
дифференциальных уравнений пульсации пузырьков;
• теории многопузырьковой кавитации, основанной на сделанном 
в 2005 году отечественном научном открытии в области физики 
(диплом № 288);
• принципа физического подобия акустических кавитационных процессов в жидкости;
• модели гидродинамической кавитации в роторных аппаратах, построенной на вновь разработанной оригинальной теории кавитации 
в них.
Вторая глава «Предмет пищевой сонохимии» помогает читателю 
сориентироваться в области предмета. В ней рассмотрена роль процесса гидратации в пищевых технологиях и показано, что именно интенсификация гидратации биополимеров пищевого сырья за счет специальной обработки воды и водных растворов с целью их кавитационной 
дезинтеграции и может составлять основную цель пищевой сонохимии. Описаны требования к процессу подготовки воды для гидратации 
и к свойствам гидратируемых биополимеров. Приведена всесторонне 
исследованная методика оценки интенсивности гидратации.
В третьей главе «Приложения пищевой сонохимии» описано применение сонохимии для гидратации белков растительного и животного происхождения, а также при производстве молочных продуктов 
из смесей сухих молочных компонентов и пищевых эмульсий.
В четвертой главе «Расчет и проектирование кавитационных реакторов» описаны принципы технических расчетов и примеры проек

Предисловие

тирования новейших кавитационных реакторов для использования 
в качестве аппаратов пищевой сонохимии. Дана их сравнительная 
оценка с известными моделями подобной техники.
Книга также может служить пособием для разработчиков технологических процессов пищевых производств и конструкторов технологического оборудования для пищевой промышленности в части пищевой 
сонохимии. Авторы полагают, что предложенные в книге модели, методики и алгоритмы помогут найти применение сонохимии и в других 
отраслях промышленности, где возможно использование кавитационной дезинтеграции, например в фармацевтике и парфюмерии.

ВВЕДЕНИЕ

О кавитации

В набросках к своей неопубликованной при жизни книге о кавитации один из основоположников учения об этом феномене профессор 
Калифорнийского университета Роберт Т. Кнэпп писал: «Кавитация 
представляет собой неприятное гидродинамическое явление, вредное действие которого часто создает серьезные трудности при решении многих научных и технических задач». Эта цитата отражает характерную для специалистов в области гидромеханики неприязнь к кавитации, а под словом 
«вредное» подразумевается разрушающее действие последней. Познание 
кавитации как физического явления и началось с намерения научиться 
предотвращать тот вред, который она наносит, разрушая конструкции, 
работающие в способствующих ее появлению условиях. Но разрушающее, или дезинтегрирующее, действие кавитации используют, наоборот, как главный полезный фактор в процессах, где оно направлено 
не на конструкции технологических аппаратов, а на компоненты находящихся в них жидких сред. Поскольку при этом не предотвращают 
или ослабляют кавитацию, а усиливают ее до определенного необходимого предела, то существует и сообразное этому ее применению понимание явления, которое и рассмотрено в этой книге.
В жидкости способные вызвать акустическую кавитацию упругие 
волны распространяются так же, как и в твердом теле, поскольку любая реальная жидкость обладает сжимаемостью, хотя и не обладает 
упругостью формы. Колебания микроскопических объемов жидкости при этом имеют амплитудно-фазовые характеристики, зависящие 
от формы, приданной жидкости сосудом, в котором она находится, 
размеров сосуда и излучающей поверхности, от которой в жидкость 
распространяются упругие колебания. Под акустической кавитацией 
понимается явление, возникающее при периодических деформациях жидкости в образуемых колебаниями ультразвукового диапазона 
частот упругих волнах. В отличие от гидродинамической кавитации, 
которая появляется под влиянием градиентов давления в потоках жид