Development a method for determining the rational set of cavitation processing modes for liquid food systems
Authors: Кондратенко Владимир Владимирович , Федосенко Татьяна Васильевна , Царёва Мария Александровна , Пацюк Любовь Карповна , Медведева Евгения Александровна , Нариниянц Татьяна Васильевна , Кондратенко Татьяна Юрьевна , Илюхина Наталья Викторовна 
Published: November 2022

Исследованы условия существования порогов Блейка и Неппайраса для области коллапсирующей кавитации в координатах «Отношение амплитуды акустического давления к гидравлическому давлению - начальный размер пузырька» при обработке жидкообразных пищевых систем ультразвуковым излучением. Эмпирически установлено существование областей определения значений частоты, гидравлического давления в системе и амплитуды излучения, для которых частные решения отсутствуют. На основании комплексного анализа математического описания резонансной частоты колебаний кавитационного пузырька, а также порогов Блейка и Неппайраса была разработана система граничных условий для определения минимальных значений технологических режимов для обеспечения формирования коллапсирующей кавитации в гомогенных жидкообразных пищевых системах в зависимости от их физико-химических свойств. Система включает в себя совокупность девяти граничных условий - трех внутренних, одного сопутствующего, одного зависимого, трех частных и одного локального. Установлено, что для каждой отдельно взятой пищевой среды все значимые для процесса кавитации физико-химические свойства, а также граничные условия могут быть описаны функциональными зависимостями от 1 до 3 общих переменных - частоты, гидравлического давления и температуры, - что позволяет унифицировать подход к определению оптимальных режимов обработки. В результате исследований разработан аналитический метод определения рационального множества режимов кавитационной обработки и алгоритм его реализации. Определены оптимальные режимы кавитационной обработки овощных и фруктовых пюре. Установлено наличие экстремумов частоты в координатах «частота - гидравлическое давление», выше которой оптимальные решения при фиксированной интенсивности излучения отсутствуют. Параметры кавитационной обработки, определенные по разработанному методу, формируют минимальную технологическую нагрузку на обрабатываемую среду при сохранении условий формирования режима коллапсирующей кавитации. Для всех исследованных пищевых систем вариативность гидравлических давлений составляла от 0,2 до 0,5 МПа в диапазоне значений частоты от минимальной до экстремума при значениях температуры среды 25 и 50 °С.
The existence conditions of the Blake and Neppiras thresholds for collapsing cavitation region in the coordinates «acoustic pressure amplitude to hydraulic pressure ratio - initial size of the bubble» during ultrasonic processing of liquid-like food systems have been investigated. The existence of areas for determining the values of frequency, hydraulic pressure and amplitude, for which there are no particular solutions, has been empirically established. Based on a comprehensive analysis of the mathematical description for the resonance cavitation bubble oscillations' frequency, as well as the Blake and Neppiras thresholds, a system of boundary conditions has been developed to determine the minimum values of technological modes to ensure for formation of collapsing cavitation in homogeneous liquid-like food systems, depending on their physicochemical properties. The system includes a set of nine boundary conditions - three internal, one concomitant, one dependent, three particular and one local. It has been established that for each individual food system, all physicochemical properties significant for the cavitation process, as well as boundary conditions, can be described by functional dependencies from 1 to 3 common variables - frequency, hydraulic pressure and temperature - which makes it possible to unify the approach to determining optimal processing modes. As a result of the research, an analytical method and algorithm for its implementation have been developed for determining the rational set of cavitation treatment modes. Optimal modes of cavitation processing of vegetable and fruit purees have been determined. The presence of frequency extremes in the coordinates «frequency - hydraulic pressure», above which there are no optimal solutions at a fixed radiation intensity, has been established. The cavitation treatment parameters determined by the developed method form the minimum technological pressing on the treated medium while maintaining the conditions for collapsing cavitation regime appearing. For all the researched food systems, the variability of hydraulic pressures ranged from 0.2 to 0.5 MPa in the frequency range from minimum to extremum at medium temperatures of 25 and 50 °C.