逆流超声波辅助提取过程的计算机仿真模拟研究

摘要

超声波辅助提取技术是一种安全、无毒、环保，并能够大幅度提高提取率以及降低能耗的新型绿色提取技术。超声波作为一种辅助提取手段被广泛应用于有效组分的提取工艺中，从而达到提高有效组分传质速率、加速提取进程和提高提取产率的目的。在超声波辅助提取设备中，由于声压在传播介质中分布的不均匀性，超声波大规模被应用于工业化生产时仍然存在放大设计的难题。大米蛋白具有合理的氨基酸组成、唯一的低变应原和高营养价值的优点，被公认为优质的谷物蛋白；米渣是大米生产糖浆过程的副产物，价格低廉且蛋白质含量丰富(一般在40%以上)，是提取大米蛋白的理想蛋白源。本文首先借助COMSOL Multiphysics仿真模拟软件，通过对逆流超声波辅助提取设备中的声场、流体场、温度场和传质场进行计算，建立声场与流速、温度、传质之间相互耦合的多物理场仿真模型，考察超声波对提取有效成分的作用效果；第二选取米渣为原料，用逆流超声波辅助提取设备提取米渣蛋白，考察超声波对辅助提取米渣蛋白提取率的影响，依此结果验证仿真模拟预测提取效果的可行性；第三，基于混合物流体中声压场分布、流体速度和固体颗粒体积分数的变化，进一步探讨超声波辅助提取的机制；最后，利用声场的仿真模拟结果，在现有设备基础上，对辅助提取设备进行了简单的设计和讨论。本文得到的结论如下：
　　⑴基于理想状态下的质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律，建立了粘性运动流体中的声波波动方程、运动方程、能量方程和传质微分方程，对逆流超声波辅助提取设备中的声场、流体场、温度场和传质场仿真模拟提供一定的理论基础。
　　⑵逆流超声波在碱液中传播有益于有效成分的提取。基于超声波的传播对流体介质速度和温度的影响，利用COMSOL Multiphysics仿真模拟软件中的声场、流体场和温度场模块，建立辅助提取设备中的声场、流体场和温度场仿真模型，为超声波有效应用于辅助提取提供一定的理论指导。仿真模拟结果表明，声压振幅随超声波功率和频率的增加而增加，随传播距离的增加趋于平衡，空化效应更容易发生；超声波在流体介质中传播使得流体的速度增加，压强增大，涡量也显著增加，有利于混合效应产生；在脉冲工作模式下，超声波在0.08 mol/L的NaOH溶液中传播4 min，最高温度升高3.91℃。
　　⑶超声波辅助提取米渣蛋白的试验结果表明，在米渣蛋白的提取过程中，施加超声波能够显著提高蛋白质提取率，最大可增加2.4倍。这种超声波显著改善提取过程的结果与超声波对物理场仿真模型所推测的结果相一致。且米渣蛋白提取率随碱液浓度、提取温度的增加而增加；随提取时间的延长先增加后趋于平衡；随固液比、间歇比和超声波功率的增加先增加后下降。氨基酸分析结果表明，超声波辅助提取的米渣蛋白，疏水性氨基酸、限制性氨基酸(赖氨酸和蛋氨酸)的含量增加。扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)和傅立叶红外光谱(FT-IR)结果表明，超声波处理后，空化效应破坏了原料米渣粉和米渣蛋白的微观结构，具体表现为：米渣粉表面的多孔性增加、米渣蛋白的粒径变小、聚集体数量降低。这些微观结构的变化也表明了超声波在提取过程中有空化作用的发生，这与超声波声场有利于空化作用发生的仿真模拟结果是相符的。
　　⑷超声波辅助提取的动力学研究结果表明，逆流超声波辅助提取大大降低了提取时间、提高了米渣蛋白提取率。在前20 min处理时间内，在所有考察因素水平下，米渣蛋白的提取率均是随处理时间显著增加。基于决定系数R2和均方根误差RMSE，非稳态动力学模型与试验数据之间的拟合较好。仿真模拟结果表明，设备中高声压场的形成有利于空化效应的发生、流体速度增加、固体颗粒充分悬浮，超声波辅助提取设备中的声场有利于米渣蛋白的提取。温度随时间的增加而增加，且温度的波动与脉冲工作模式密切相关。
　　⑸基于COMSOL Mltiphysics仿真模拟软件的计算，对超声波辅助提取设备的尺寸、设备制作材料和超声波探头数量等因素对声场的影响进行了讨论分析。结果表明，为保证容器中具有正负交错的高声压场，超声波探头的尺寸与探头下方的作用管道直径不宜相差太大；选取阻抗较高的材料不锈钢作为设备制作材质，以保证有较强的反射波，与行波叠加形成随传播距离增加不衰反增的高声压场；两个超声波探头不管是平行排列还是120°交叉排列，频率和功率均显著影响声场中的声压分布，且与声压振幅呈正相关关系。这为以后超声波大规模的应用于工业化生产提供一定的理论指导。

目录

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缩 写 表

第一章 绪 论

1.1 问题的提出

1.2 超声波模拟的国内外研究现状

参考文献

第二章 超声波仿真模拟的基本方程推导及修正

2.1 前言

2.2 粘性流体中的波动方程

2.3 流体场

2.4 温度场

2.5 传质场

2.6 建立模型的思路及框架

2.7 本章小结

参考文献

第三章 逆流超声波在碱液中传播的仿真模型

3.1 前言

3.2 COMSOL Multiphysics软件及应用

3.3基于COMSOL的物理场模拟计算

3.4结果与讨论

3.5 本章小结

参考文献

第四章 逆流超声波辅助提取作用效果的验证

4.1 前言

4.2 试验材料与仪器设备

4.3 逆流超声波辅助提取米渣蛋白的试验研究

4.4 检测及分析方法

4.6 本章小结

参考文献

第五章 逆流超声波辅助提取的动力学及其仿真模拟

5.1 前言

5.2 试验材料与仪器设备

5.3试验方法与经验模型

5.4仿真模型

5.5 试验结果与分析

5.6 本章小结

参考文献

第六章 基于有限元方法对逆流超声波辅助提取设备的设计

6.1 前言

6.2圆柱形超声波处理区几何参数对声压分布的影响

6.3两个超声波探头对声压分布的影响

6.4 本章小结

参考文献

第七章 结论与展望

7.1 主要结论

7.2 本论文的主要创新点

7.3 展望

致谢

攻读博士学位期间科研成果情况