способ приготовления олеофильной эмульсии

Формула изобретения

Способ приготовления олеофильной эмульсии, в котором в жидкость эмульсионной среды вводят жидкость эмульсионной фазы, одновременно воздействуя на них ультразвуком, и перемешивают образующуюся эмульсию, отличающийся тем, что жидкость фазы вводят, распределяя ее в виде тонкого слоя по поверхности, с которой распространяется ультразвук.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технологии ультразвукового эмульгирования - получения при помощи ультразвука высокодисперсных жидких систем, состоящих из взаимно нерастворимых компонентов: неполярной жидкости (масла), являющегося непрерывной средой эмульсии, и полярной жидкости (воды), распределенной внутри нее в виде микроскопических капель и являющейся дисперсной фазой, а также эмульгатора - твердого порошкообразного или жидкого вещества, имеющего дифильные свойства и располагающегося на границе раздела среды и фазы [Кроит Г.Р. Наука о коллоидах., т. 1. - М.: Изд. ин. литературы, 1955]. Изобретение может быть использовано в фармакологии и парфюмерии для приготовления, соответственно, эмульсионных лечебных препаратов и косметических средств, а также в энергетике и на транспорте для производства топливно-водных смесей, улучшающих эффективность сжигания топлив и повышающих экологическую безопасность за счет более полного окисления компонентов топлив при горении. Преимущественная область применения изобретения - приготовление эмульсий на основе растительных и животных жиров в пищевой промышленности для:

- эмульсионных пищевых продуктов, например, маргарина;

- эмульсионных компонентов, используемых в процессе производства различных продуктов питания (колбас, шоколада, кремов, соусов);

- эмульсий, применяемых в хлебопечении в качестве жирсодержащих ингредиентов хлеба, а также в качестве смазок для хлебопекарного инвентаря.

Применение в этой области именно олеофильных эмульсий имеет ряд значимых преимуществ [Арутюнян Н.С., Комаров Н.В., Харитонов Б.А. Перспективы применения фосфолипидов растительных масел в хлебопекарной и кондитерской отраслях // Хлебопечение России. - 1996, N 2. - С. 18-20, Шестаков С.Д. Эмульсии в хлебопекарном производстве: виды, применение, теоретические аспекты и современное оборудование // Хлебопечение России. - 1996, N 2. - С. 20-22, Применение эмульсий в пищевой промышленности // под ред. Н.И. Козина. - М.: Пищевая промышленность, 1966], а использование ультразвука для приготовления таких эмульсий, среду которых составляют триглицериды жирных кислот, дает эффект их автостабилизации за счет продуктов гидролиза последних: ди- и моноглицеридов, образующихся под воздействием ультразвуковой кавитации на межфазной границе и обладающих свойством дифильности [Шестаков С.Д. Эмульсии в хлебопекарном производстве: виды, применение, теоретические аспекты и современное оборудование // Хлебопечение России.- 1996, N 2. - С. 20-22].

Известные способы приготовления эмульсий при помощи ультразвука можно классифицировать следующим образом.

При осуществлении первого способа компоненты эмульсии располагают в емкости для смешивания слоями один над другим, затем возбуждают в них ультразвуковые колебания. Первый способ эмульгирования, впервые осуществленный Р. Вудом и А. Лумсом и усовершенствованный Г. Гертцем и Е. Визнером [Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. - М: ИИЛ, 1956. - 726 с.], в основном использовался в научных исследованиях для изучения закономерностей ультразвукового эмульгирования. Наиболее совершенным примером такого способа является известный способ, в соответствии с которым компоненты располагают в емкости для смешивания таким образом, чтобы толщина слоя каждого из них составляла половину длины волны звука в нем на частоте ультразвуковых колебаний, которыми осуществляют последующее воздействие при эмульгировании [Недужий С.А. Влияние интенсивности ультразвука на состояние дисперсной фазы в момент ее образования // Акустический журнал. - 1961, N 7 (265) С.]. Таким образом, границу раздела компонентов эмульсии располагают в плоскости пучности колебательного смещения стоячей продольно-упругой акустической волны.

Достижению указанного ниже технического результата при использовании данного способа препятствует то обстоятельство, что из трех перечисленных ниже наиболее значимых механизмов ультразвукового эмульгирования здесь в полной мере используется только один, что не позволяет получить высокую дисперсность эмульсии за достаточно короткое время эмульгирования.

Известно, что диспергирование фазы в среде происходит:

- во-первых, под действием колебательной скорости и колебательного ускорения (модель Ржевкина-Островского);

- во-вторых, под действием ударных волн кавитации (модель Недужего);

- в-третьих, путем растягивания капель фазы сверх критической длины (модель Фридмана).

Известно также, что наибольшие значения скорости и ускорения колебательного смещения достигаются на полуволновом расстоянии от излучающей поверхности (в данном случае - на границе раздела компонентов), а наибольшие деформации жидкость испытывает на четвертьволновом (в данном случае - в центрах высот начальных объемов компонентов). Поскольку кавитационные области в стоячей волне концентрируются в пучностях напряжений, а ударная волна кавитации ослабевает пропорционально расстоянию от центра кавитационных каверн, то участие в процессе эмульгирования второго и третьего из перечисленных выше механизмов ослаблено. Они вступают в действие лишь тогда, когда под воздействием первого из механизмов диспергирования эмульсия будет заполнять рабочий объем, а границы диффузии капель фазы распространяется на достаточное расстояние от положения первоначальной границы раздела фаз. Кроме того, при таком способе получения эмульсий образуется одновременно два вида эмульсии в различном соотношении объемов, которое зависит от использованного типа эмульгатора. Получаемый продукт после энергичного механического перемешивания может какое-то время существовать в виде бинарной смеси противоположных видов эмульсии, но вскоре распадается на две системы: слой обратной эмульсии над слоем прямой эмульсии. Значимое превалирование олеофильной эмульсии над гидрофильной здесь может быть достигнуто лишь за счет большого содержания маслорастворимого эмульгатора (принцип Банкрофта) либо за счет уменьшения содержания полярной жидкости, что также препятствует достижению указанного ниже технического результата.

При втором способе компоненты эмульсии механически смешивают, затем (или одновременно) полученную смесь диспергируют воздействием возбуждаемых в ней ультразвуковых колебаний. Типичным примером реализации второго способа эмульгирования является известный способ изготовления эмульсий, при котором компоненты механически смешивают посредством какого-либо технического средства, например, шестеренчатого насоса. Затем полученную механическую смесь подают на ультразвуковой диспергатор, представляющий собой один из типов ультразвуковых преобразователей, оснащенных приспособлениями для акустического диспергирования, например, гидродинамический преобразователь (ультразвуковую сирену). Далее либо запускают эмульсию по циклу между механическим смесителем и диспергатором до получения нужной дисперсности, либо сливают. Известно использование такого способа при производстве жироводных эмульсий из растительного жира и воды для улучшения качества теста [Ауэрман Л. Я., Федорова Г.С. Применение в хлебопечении эмульсий жира в воде, получаемых ультразвуковым методом // Известия высших учебных заведений. Сер. Пищевая технология. - 1960, N 6. - С. 72-77] и смазки хлебопекарных форм [Бутовский М., Шевченко А. Технология получения жироводных эмульсий для смазки хлебопекарных форм // Хлебопродукты.- 1995, N 11. - С. 16, Заявка на изобретение N 94036015/13, кл. A 23 D 7/00, A 23 L 1/24, В 01 F 3/08, 1994]. Известны также варианты реализации данного способа с использованием в качестве источников ультразвука пьезоэлектрических преобразователей, излучение которых воздействует на компоненты через акустически прозрачную стенку непосредственно в момент их смешивания, а также комбинированное использование гидродинамических и магнитострикционных диспергаторов [Рогов И.А., Горбатов А. В. Физические методы обработки пищевых продуктов.- М.: Пищевая промышленность, 1974] . В некоторых вариантах реализации способа сам механический смеситель является и источником ультразвукового воздействия [Патент РФ N 2033856, кл. В 01 F 11/02, 1995, Патент РФ N 2066106, кл. A 23 L 1/39, 1996] .

Диспергирование здесь начинается тогда, когда площадь границы раздела сред уже достаточно велика вследствие механического перемешивания компонентов. При этом требуются меньшие энергозатраты на дальнейшее увеличение площади межфазной границы, то есть, на повышение дисперсности эмульсии. Несмотря на это, способ обладает следующими недостатками, которые не позволяют достигнуть технического результата, являющегося целью изобретения.

Как и в предыдущем случае, в результате эмульгирования получается бинарная смесь эмульсий, а олеофильная эмульсия может быть получена только за счет введения большого количества эмульгатора, что не всегда возможно. Например, введение большого количества фосфолипидов (традиционного эмульгатора для многих пищевых эмульсий) в эмульсию, использующуюся в качестве жирсодержащего ингредиента хлеба, приводит к потемнению мякиша, а асфальтены (эмульгаторы для эмульсионных топлив), введенные в большом количестве в топливно-водную эмульсию, снижают эффективность ее сжигания и засоряют топливную аппаратуру.

Кроме того, наряду со снижением энергозатрат на диспергирование, за счет предварительного механического перемешивания появляются потери акустической энергии на преодоление вязкости и упругости паров в неполярном компоненте, который наравне с водой имеет непосредственный контакт с излучающей поверхностью, но слабо образует кавитацию, энергия поля которой является одним из основных диспергирующих факторов. Это не позволяет достигнуть высокой скорости образования эмульсии и обеспечить высокое значение дисперсности.

При третьем способе жидкость эмульсионной среды разбавляют жидкостью фазы, одновременно диспергируя ее воздействием возбуждаемых в смеси ультразвуковых колебаний. В одном из вариантов осуществления этого способа, предложенном В. Яновским и Р. Польманом [Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. - М: ИИЛ, 1956. - 726 с.], жидкость среды разбавляют жидкостью фазы, вводя ее через сопло ультразвуковой жидкостной сирены в виде струи. При этом происходит образование эмульсии и диспергирование капель фазы в среде.

Недостатком данного способа, препятствующим получению сформулированного ниже технического результата, является зависимость акустических параметров сирены (частоты и амплитуды колебаний пластинки) от скорости потока компонента, истекающего из сопла, следовательно, и зависимость дисперсности от скорости образования эмульсии. Кроме того, вся вводимая жидкость эмульсионной фазы не успевает полностью эмульгироваться под воздействием кавитации за время пребывания в зоне ее воздействия, так как для возбуждения ультразвуковых колебаний в пластинке сирены требуется высокая скорость ее обтекания жидкостью. Это вынуждает запускать получающуюся смесь по циклу, как и в предыдущем способе, что снижает производительность процесса. Кроме того, при повышении вязкости смеси, сопровождающей ее последовательное диспергирование в циклическом варианте процесса, изменяются акустические параметры сирены. Это также отрицательно сказывается на достигаемой дисперсности.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному является способ приготовления олеофильной эмульсии, в котором в жидкость эмульсионной среды вводят жидкость эмульсионной фазы, одновременно воздействуя на них ультразвуком и перемешивая образующуюся эмульсию [Об ультразвуковом экспресс-эмульгировании пищевых растительных жиров // С. Д. Шестаков.- в кн.: "Ультразвуковые технологические процессы".- М.: МАДИ(ТУ), 1998.- С. 81-84], который принят за прототип.

Причина, препятствующая достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, следующая. Жидкость фазы здесь вводится путем впрыскивания через капиллярные каналы в волноводе ультразвукового излучателя. При этом жидкость фазы (вода) поступает в виде тонких струек, которые, попадая в среду (масло), в силу своей пространственной неустойчивости делится на мелкие капли аналогично способу, реализованному П.А. Ребиндером с сотрудниками [Ребиндер П.А. Избранные труды. - М.: Наука, 1978]. Этому способствует также акустокапиллярный эффект, против которого действует статическое давление подачи воды, и ударные волны кавитационных пузырьков, пульсирующих в устье капилляров. Таким образом, излучающая поверхность в большей мере имеет непосредственный контакт с маслом, нежели с водой. Энергия, необходимая для возбуждения кавитации, передается от излучателя к границе раздела фаз и в воду через масло. При этом значительная ее часть тратится на преодоление внутреннего трения в масле и его дегазацию, так как из-за высокой упругости паров масла истинной кавитации там не происходит, а образуются стационарные пузырьки, которые мигрируют под действием макропотоков и выталкивающей силы. То есть, энергия ультразвуковых колебаний используется не эффективно, что препятствует получению высокой дисперсности эмульсии.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Технический результат состоит в увеличении дисперстности эмульсии без изменения скорости эмульгирования и увеличения содержания эмульгаторов.

В области техники, к которой относится предлагаемое решение, большое значение имеет задача повышения дисперсности получаемой эмульсии (величины, обратной среднему диаметру капель фазы). А в соответствии с законом Стокса скорость оседания капель воды в олеофильной эмульсии под воздействием гравитации пропорциональна квадрату диаметра этих капель. Явление такого оседания называется гравитационной седиментацией. Седиментация ведет к изменению во времени распределения фазы в эмульсии, заканчивающейся концентрацией капель фазы в нижней части объема эмульсии, - коагуляции. Кроме того, повышение концентрации фазы в отдельной части объема эмульсии может привести к коалесценции или инверсии, то есть к необратимому разделению компонентов эмульсии. Таким образом, дисперсность определяет основное потребительское свойство эмульсии - ее устойчивость к распаду на исходные компоненты.

Как видно из описания уровня техники в области предмета изобретения, дисперсность эмульсии тесно связана, а иногда и напрямую зависит от скорости образования последней. Однако задача повышения дисперсности эмульсии не может быть решена путем простого снижения скорости эмульгирования, так как известно, что для каждого способа приготовления эмульсии при помощи ультразвука существует предельное значение дисперсности получаемой эмульсии, очевидно связанное с акустическими параметрами воздействия: частотой и амплитудой колебаний, акустическими и другими физико-химическими свойствами компонентов.

Указанный технический результат при использовании изобретения достигается тем, что в известном способе приготовления олеофильной эмульсии, в котором в жидкость эмульсионной среды вводят жидкость эмульсионной фазы, одновременно воздействуя на них ультразвуком и перемешивая образующуюся эмульсию, особенность заключается в том, что жидкость фазы вводят, распределяя ее в виде тонкого слоя по поверхности, с которой распространяется ультразвук.

При введении жидкости фазы в среду эмульсии путем ее распределения по поверхности излучателя в виде тонкого слоя в ней возникают вязко-инерционные и поверхностно- капиллярные волны, вызывающие гидродинамическую, а не акустическую кавитацию. [Особенности акустических технологий, реализуемых в тонких слоях жидкости // С.И. Пугачев, Н.Г. Семенова. - в кн.: "Ультразвуковые технологические процессы - 98", Тезисы докл. науч.-техн. конференции. - М.: МАДИ (ТУ), 1997.- С. 33-36]. При этом энергия первичного поля трансформируется преимущественно в объеме этого тонкого слоя, что обуславливает на его границе с жидкостью среды высокую интенсивность эмульгирования за счет перечисленных ниже эффектов.

Во-первых, в тонком слое и на его "мягкой" границе с жидкостью среды достигаются значения колебательной скорости и колебательного ускорения, превышающие значения на границах, например, полуволновых объемов жидкостей, так как потери на внутреннее трение здесь меньше из-за малой толщины слоя. Кроме того, при таком способе введения жидкости фазы сведена к минимуму возможность непосредственного контакта жидкости среды с излучающей поверхностью, что минимизирует рассеяние акустической энергии на вязком трении в жидкости среды.

Во-вторых, так как областью действия эффекта кавитации в системе является в основном тонкий слой жидкости, то ударные волны кавитации, являющиеся одним из основных диспергирующих факторов, доходят до границы раздела фаз практически без потерь энергии. Потери энергии здесь в 0,25/ раз меньше, чем в полуволновом объеме жидкости, где - длина волны ультразвука в жидкости; - толщина тонкого слоя; .

В-третьих, кавитация генерирует мелкомасштабные течения, которые снижают поверхностное натяжение на межфазной границе и способствуют тем самым первоначальному механическому перемешиванию жидкостей.

В-четвертых, все это вместе обеспечивает наиболее благоприятные условия для прохождения реакции поэтапного гидролиза жиров, так как облегчает диссоциацию молекул воды и отщепление жирнокислотных радикалов (ацилов) от глицеридов, а продукты гидролиза являются эмульгаторами.

Таким образом, сравнение заявленного способа с прототипом, являющимся наиболее близким аналогом из технических решений, характеризующих известный заявителю уровень техники в области предмета изобретения, показывает, что заявленный способ обладает существенным по отношению к указанному техническому результату отличительным признаком.

При исследовании отличительных признаков описываемого способа заявителем не выявлено каких-либо известных аналогичных решений, касающихся ввода фазы эмульсии, получаемой при помощи ультразвука, путем ее распределения в виде тонкого слоя на поверхности излучателя ультразвука.

Способ может быть осуществлен следующим образом.

Для осуществления способа, например, при приготовлении жироводной эмульсии для смазки хлебопекарного инвентаря может быть использована известная установка экспресс-приготовления эмульсий типа "Ультрамикс 630" (ТУ 5131-001-01172039-96). Отличительный признак заявленного способа реализуется путем изменения конструкции установки, заключающейся в увеличении диаметра каналов для впрыскивания фазы, например, до 3 мм. Эмульсию на реконструированной для осуществления заявленного способа установке "Ультрамикс 630" готовят в том же порядке, который указан в ее эксплуатационных документах.

В смесительную емкость заливают растительное масло с предварительно растворенным в нем эмульгатором и закрывают ее крышкой со встроенным электромиксером, выполняющим роль устройства механического перемешивания. Затем включают ультразвуковой генератор и электромиксер. В расходную емкость, расположенную выше смесительной емкости, заливают воду, например, в объеме равном объему используемого масла. Поскольку суммарная площадь сечения отверстий в излучателе в результате реконструкции стала больше нежели сечение подводящего канала воды, акустокапиллярный эффект и эффект капиллярного впрыскивания перестают действовать. Вода, вытекая из отверстий в масло, в соответствии с законом сообщающихся сосудов растекается по излучающей поверхности в виде тонкого слоя за счет разницы плотностей и акустического смачивания. Часть воды, смешиваясь на границе раздела сред с маслом и диспергируясь под воздействием акустических течений и энергии кавитации в тонком слое, уносится от излучателя вместе с маслом макропотоком, создаваемым устройством механического перемешивания, в виде готовой эмульсии. Процесс ведется до полного расходования воды.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о возможности осуществления заявленного изобретения с помощью описанных в заявке или известных ранее средств, методов и устройств, а также о способности достижения указанного выше технического результата при воплощении совокупности признаков изобретения.