УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ МАСЛЯНО-ВОДНОЙ ЭМУЛЬСИИ Российский патент 2002 года по МПК B01F11/02 

Изобретение относится к ультразвуковым аппаратам для эмульгирования - получения дисперсных жидких систем, состоящих из взаимно нерастворимых компонентов: неполярной жидкости (масла - смеси триглицеридов жирных кислот), 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 [1].

Изобретение может быть использовано в пищевой промышленности для приготовления, эмульсионных пищевых продуктов, например маргарина, эмульсионных компонентов, используемых в процессе производства различных продуктов питания (колбас, шоколада, кремов, соусов), а также эмульсий, применяемых в хлебопечении в качестве жирсодержащих ингредиентов хлеба или в качестве смазок для хлебопекарного инвентаря.

Известна конструкция эмульсора, включающая емкость для масла с растворенным в нем эмульгатором, емкость для воды, а также емкость для образующейся эмульсии с расположенным внутри нее гидродинамическим излучателем, а также механический насос, при помощи которого смесь воды и масла подается под давлением на гидродинамический излучатель и может циркулировать по замкнутому циклу через емкость для эмульсии, насос и излучатель до получения эмульсии с заданной устойчивостью [2].

Известна аналогичная конструкция устройства для эмульгирования, содержащая емкости для компонентов, насос-дозатор и гидродинамический смеситель, позволяющая за счет большого давления, создаваемого насосом-дозатором перед гидродинамическим смесителем получать стойкую высокодисперсную эмульсию за один проход без рециркуляции [3].

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании описанных известных устройств, относится то, что в таких устройствах при эмульгировании образуется одновременно два вида эмульсии - прямая и обратная - в различном соотношении объемов, которое зависит от использованного типа и количества эмульгатора [4, 5]. Значимое превышение объема обратной эмульсии над объемом прямой эмульсии, а также ее стойкость, обеспечиваемая низкой скоростью ее коагуляции и коалесценции, могут быть достигнуты лишь за счет увеличения содержания маслорастворимого эмульгатора [6, 7] . Еще одним недостатком данных устройств, препятствующим получению сформулированного ниже технического результата, является зависимость акустических параметров гидродинамических излучателей (частоты и амплитуды колебаний излучающего элемента) от скорости потока смеси, следовательно, зависимость дисперсности, определяющей устойчивость эмульсии, от скорости ее образования. Акустические параметры гидродинамических излучателей изменяются также в результате изменения вязкости смеси, сопровождающей ее эмульгирование.

Известны аналоги описанных выше эмульсоров, содержащие в качестве источников ультразвука иные виды излучателей (пьезокерамические и магнитострикционные), акустические параметры которых не зависят от скорости образования конечного продукта [8, 9, 10]. Но, как и в предыдущем случае, в результате эмульгирования получается бинарная смесь эмульсий, а обратная эмульсия может быть получена только за счет введения большого количества эмульгатора, что не всегда возможно. Например, введение большого количества фосфолипидов (традиционно применяемого эмульгатора для многих пищевых эмульсий) в эмульсию, использующуюся в качестве жирсодержащего ингредиента хлеба, приводит к потемнению его мякиша [2].

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является ультразвуковая установка экспресс-приготовления эмульсий типа "Ультрамикс 630", включающая смесительный резервуар и диспергатор, состоящий из корпуса и электроакустического ультразвукового излучателя акустическим трансформатором продольных колебаний, присоединенным к корпусу в плоскостях узлов колебательных смещений и имеющим отверстия для подачи воды в смесительный резервуар [11]. К этим отверстиям вода подается непосредственно через муфту со штуцером, присоединенную к акустическому трансформатору посредством двух сальниковых уплотнений.

Причиной, препятствующей достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, является склонность получаемой эмульсии, которая всегда получается множественной, то есть, содержит в качестве фазы капли прямой эмульсии, к ортокинетической коагуляции (флокуляции) в начальный период после ее приготовления. Это ускоряет коалесценцию эмульсии, то есть, ослабляет ее устойчивость. Флокуляция - явление захвата мелких капель фазы более крупными каплями прямой эмульсии при седиментации с образованием хлопьевидных флокул. С течением времени флокуляция ослабляется. Это объясняется следующими причинами. Капельки масла в каплях прямой эмульсии оказываются временно стабилизированными за счет возникновения у их границ двойного электрического слоя. Этот слой образуется жирными кислотами, которые появляются в результате гидролиза жира под действием ультразвуковой кавитации [12] и делают поверхность масла положительно заряженной [1], полярными молекулами воды и ее ионами, образующимися в результате сонолиза [1, 7, 12]. В результате гидролиза образуются также эмульгирующие вещества, обладающие дифильными свойствами: ди- и моноглицериды жирных кислот.

Со временем в результате диффузии ионы рекомбинируют, двойной слой разряжается, капельки масла в каплях прямой эмульсии сливаются между собой и со стенками, а капли прямой эмульсии превращаются в меньшие по размеру капли воды. Однако за время распада прямой эмульсии в результате флокуляции успевает произойти частичная коалесценция эмульсии.

Сущность изобретения заключается в следующем. В эмульсиях со временем происходит два процесса: коагуляция и коалесценция. Коагуляция - это процесс концентрации капель фазы эмульсии в какой-либо части объема эмульсии, например, под действием гравитации из-за разницы в плотностях жидкостей фазы и среды. Коагуляция происходит без прорыва перемычек среды и сорбционных слоев эмульгатора между каплями фазы, поэтому коагуляция - обратимое явление. Механическим перемешиванием можно восстановить однородность эмульсии. Коалесценция - это процесс слияния капель фазы. Такой процесс необратим. Причиной коалесценции может служить коагуляция, вследствие которой капли фазы в отдельной части объема эмульсии будут уплотнены настолько, что целостность границ между ними нарушится. Устойчивость эмульсии определяется скоростью ее коалесценции, чем ниже последняя, тем выше устойчивость. В рассматриваемом случае седиментационная коагуляция отягощена флокуляцией. Последняя обусловлена наличием в качестве фазы прямой эмульсии. Таким образом, чем быстрее будет разрушена прямая эмульсия и высвобожден связанный в ней эмульгатор, который перейдет на границы раздела фаз в обратной эмульсии и укрепит их, тем устойчивее станет эта эмульсия.

Технический результат - повышение устойчивости эмульсии.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном устройстве для приготовления обратной масляно-водной эмульсии, включающем смесительный резервуар и диспергатор, состоящий из корпуса и электрического ультразвукового излучателя с волноводным акустическим трансформатором, присоединенным к корпусу в плоскостях узлов колебательных смещений, а также штуцер для подачи воды, особенность заключается в том, что штуцер закреплен в стенке корпуса диспергатора и расположен между местами присоединения волноводного акустического трансформатора.

Известно, что акустическая кавитация в воде порождает одновалентные и двухвалентные гидроксильные ионы [5], а также перекись и надперекись водорода. В объеме, образованном стенками корпуса диспергатора и поверхностью акустического трансформатора, в который посредством поперечной моды колебаний будет передаваться энергия колебаний, возникнет кавитация, и будут образовываться перечисленные соединения. Таким образом, при эмульгировании в образующуюся эмульсию будет поступать подкисленная врда с наличием моно- и поливалентных анионов. Известно, что добавление в среду прямой эмульсии поливалентных противоионов снижает отталкивание между каплями фазы, а также, что прямые эмульсии распадаются или обращаются при подкислении среды [1]. Поэтому обратные эмульсии, приготовленные посредством заявленного устройства, содержат в качестве фазы меньше прямой эмульсии, чем приготовленные с помощью прототипа. Следовательно, они более устойчивы.

Кроме того, для усиления кавитации внутри объема, где происходит сонолиз воды, может быть установлен дополнительный излучающий элемент, например в виде шайбы с наружным диаметром, превышающим диаметр акустического трансформатора.

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 существенными по отношению к указанному техническому результату отличительными признаками.

При анализе отличительных признаков описываемого устройства не выявлено каких-либо известных аналогичных решений, касающихся использования в конструкции устройств для приготовления обратных эмульсий дополнительных приспособлений для предварительного сонолиза воды с целью повышения устойчивости эмульсий.

На чертеже изображен разрез по оси диспергатора основного узла устройства для приготовления обратной масляно-водной эмульсии. Части устройства, которые не показаны на разрезе, могут быть аналогичны соответствующим частям выбранного прототипа устройства.

Заявленное устройство для приготовления обратной масляно-водной эмульсии включает смесительный резервуар 1, штуцер для подачи воды в устройство 2, а также диспергатор, состоящий из корпуса 3 и ультразвукового излучателя поршневого типа с волноводным акустическим трансформатором продольных колебаний 4, присоединенным к корпусу 3 в плоскостях узлов колебательных смещений 5, 6 и имеющим отверстия 7 для подачи воды в смесительный резервуар 1.

Устройство отличается тем, что вода в смесительный резервуар подводится через объем 8, образованный стенками корпуса диспергатора и поверхностью волноводного акустического трансформатора, для чего штуцер 2 закреплен в стенке корпуса диспергатора и расположен между местами присоединения волноводного акустического трансформатора.

В пучности колебательного смещения акустического трансформатора 4, расположенной внутри объема 8, для усиления кавитации за счет продольной моды колебаний может быть установлен дополнительный излучающий элемент, например в виде шайбы 9 с наружным диаметром, который превышает диаметр акустического трансформатора.

Устройство работает следующим образом. Волноводный акустический трансформатор 4 осуществляет излучение акустической энергии, преобразуемой из электрической энергии, например, посредством электроакустического магнитострикционного преобразователя 10. Энергия передается с рабочей поверхности излучателя 11 в изначально заполненный маслом смесительный резервуар 1, где она расходуется на образование обратной эмульсии масла с водой, поступающей в смесительный резервуар через отверстия 7. Вода попадает к отверстиям 7 через штуцер 2 и объем 8. В воде, протекающей через этот объем 8, возникает акустическая кавитация, вызванная трансформацией акустической энергии передаваемой в эту воду от боковой поверхности акустического трансформатора за счет поперечной моды колебаний, а также от излучающего элемента 9 за счет продольной моды колебаний. Под действием акустической кавитации вода диссоциирует на ионы, в том числе с образованием двухвалентных гидроксильных ионов, и в ней образуются перекись и надперекись водорода. Эти соединения способствуют разрежению двойного электрического слоя на границе раздела сред в прямой эмульсии, являющейся фазой, образующейся при работе устройства обратной эмульсии. В результате прямая эмульсия распадается, предотвращая явление ортокинетической коагуляции обратной эмульсии, увеличивая тем самым ее устойчивость.

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

Источники информации
1. Кройт Г.Р. Наука о коллоидах, т.1. -М.: Изд. ин. литературы, 1955.

2. Ауэрман Л.Я., Федорова Г.С. Применение в хлебопечении эмульсий жира в воде, получаемых ультразвуковым методом // Известия высших учебных заведений. Сер. Пищевая технология. - 1960, 6. - С.72-77.

3. Бутовский М. , Шевченко А. Технология получения жироводных эмульсий для смазки хлебопекарных форм // Хлебопродукты. - 1995, 11. - С.16.

4. Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике. - М: ИИЛ, 1956. - 726 с.

5. Эльпинер И.Е. Ультразвук. Физико-химическое и биологическое действие. -М.: ИФ-МЛ, 1963. - 420с.: ил.

6. Применение эмульсий в пищевой промышленности // под ред. Н.И. Козина. -М.: Пищевая промышленность, 1966.

7. Ребиндер П.А. Избранные труды. -М.: Наука, 1978.

8. Рогов И.А., Горбатов А.В. Физические методы обработки пищевых продуктов. - М.: Пищевая промышленность, 1974.

9. Патент РФ 2033856, кл. В 01 F 11/02, 1995.

10. Патент РФ 2056926, кл. В 01 F 11/02, 1996.

11. Шестаков С.Д. Обратные эмульсии в хлебопекарном производстве // Хлебопечение России. - 1996, 2. - С.20-22.

12. Шестаков С.Д. Эмульсии на основе подсолнечного масла для смазки хлебопекарного инвентаря // Хлебопечение России. - 1999, 4. - С.20-22.

Устройство предназначено для приготовления обратной масляно-водной эмульсии, обеспечивающее повышенную устойчивость производимой эмульсии к распаду на исходные компоненты. Устройство может быть использовано в пищевой промышленности для приготовления эмульсионных пищевых продуктов или в качестве смазок для хлебопекарного инвентаря. Устройство включает смесительный резервуар и диспергатор, состоящий из корпуса и ультразвукового излучателя с волноводным акустическим трансформатором, присоединенным к корпусу в плоскостях узлов колебательных смещений и имеющим отверстия для подачи воды. Фаза эмульсии подается к торцевой поверхности трансформатора, подвергаясь предварительному воздействию колебаний остальной поверхности трансформатора. Получаемая при помощи предложенного устройства эмульсия практически не содержит в качестве фазы эмульсии противоположного типа - прямой, наличие которой порождает ортокинетическую коагуляцию, обуславливающую низкую устойчивость эмульсии. 1 ил.

Устройство для приготовления обратной масляно-водной эмульсии, включающее смесительный резервуар и диспергатор, состоящий из корпуса и электроакустического ультразвукового излучателя с волноводным акустическим трансформатором, присоединенным к корпусу в плоскостях узлов колебательных смещений, а также штуцер для подачи воды, отличающееся тем, что штуцер закреплен в стенке корпуса диспергатора и расположен между местами присоединения волноводного акустического трансформатора.