اگرچه دستگاه التراسونیک در قرن بیستم مورد استفاده قرار گرفته است، اما بیشتر کاربردهای جدید و بهبود یافته این دستگاهها در چند سال گذشته عملاً انجام شده است. کاربردهای دستگاههای التراسونیک را میتوان به دو دسته با شدت بالا و کم شدت طبقهبندی کرد. کاربردهای با شدت بالا به طور عمدی بر محتویات محیط انتشار تأثیر میگذارد. موارد استفاده از شدت بالا عبارتند از: تمیز کردن مایع، ماشینکاری مواد، جراحی و درمانی پزشکی، تمیز کردن مواد، جوشکاری پلاستیک و فلزات، اختلال سلولی بیولوژیکی و همگنسازی مواد.
کاربردهای کم شدت هدف انتقال انرژی از طریق یک محیط به منظور انتقال اطلاعات از طریق محیط درمان شده یا به دست آوردن اطلاعات در مورد محیط است.
موارد استفاده از شدتهای کم شامل آزمایش غیر مخرب، تشخیص پزشکی، اندازه گیری ویژگیهای الاستیک مواد و محصولات کشاورزی و هولوگرافی صوتی است.
امروزه فناوری کاربرد التراسونیک به شدت صنعت گوشت را تحت تاثیر قرار داده است و نقش کنترل کنندهای در طبقهبندی کیفیت محصول دارد.
از آن برای اندازه گیری ضخامت لایه چربی در حیوانات زنده استفاده میشود و همچنین برای پیش بینی صفات لاشه به عنوان بخش مدیریت دام استفاده میشود و برای بهبود کیفیت شیر همگن استفاده شده است.
علاوه بر این، فناوری کاربرد التراسونیک در کنترل آفات استفاده میشود که شامل بیرون راندن یا کشتن حشرات است.
دستگاه التراسونیک پتانسیل عظیمی را برای صنایع زیستی و مواد غذایی ارائه میدهد. توسعه تجهیزات سفارشی و جدید موضوعی است که باید توسط فناوران مواد غذایی، فیزیکدانان و مهندسان مورد توجه قرار گیرد.
علاوه بر این، کاربردهای دستگاههای التراسونیک برای فرآوری مواد غذایی به عنوان یک روش جایگزین مهم پردازش حرارتی معمولی استفاده شده است.
فرآیند فراصوت میتواند محصولات غذایی را با غیرفعال کردن میکروارگانیسمها و بسیاری از آنزیمها در شرایط نرمال دمایی حفظ و پاستوریزه کند تا ایمنی و پایداری مواد غذایی برای بهبود کیفیت غذا تضمین شود.
کاربردهای بالقوه التراسونیک نه تنها تحت تأثیر محیط (گاز، مایع، جامد یا فوق بحرانی) است، بلکه متغیرهای درمان (رژیم جریان، دما، شدت التراسونیک و غیره) و ساختار محصول که میتواند بر بزرگی آن تأثیر بگذارد نیز میباشد.
بیشتر کاربردهای التراسونیک در فناوری فرآوری مواد غذایی شامل اندازه گیریهای غیرمخرب است که به ویژه به ارزیابی کیفیت محصول اشاره دارد.
چنین برنامههایی از توان کم کمتر از ۱ W/cm2 و امواج فراصوت با فرکانس بالا از ۱۰۰ کیلوهرتز تا ۱ مگاهرتز استفاده میکنند.
دستگاه التراسونیک با شدت کم معمولاً به عنوان یک روش تحلیلی برای ارائه اطلاعات در مورد ویژگیهای فیزیکوشیمیایی محصول غذایی مانند اسیدیته، رسیده بودن، سفتی، محتوای قند و غیره استفاده میشود.
با فرکانس پایین (۱۶-۱۰۰ کیلوهرتز) برای ایجاد تغییرات فیزیکی یا شیمیایی در غذا به منظور بهبود خواص آن استفاده میشود [11، 19].
به طور کلی کاربردهای دستگاه التراسونیک به دو دسته تقسیم میشوند: دسته اول التراسونیک با شدت کم (به نام التراسونیک غیر مخرب یا با فرکانس بالا) و دسته دوم التراسونیک با شدت بالا (به نام التراسونیک با فرکانس پایین.
کاربردهای دستگاه التراسونیک با شدت کم
دستگاه التراسونیک با فرکانس بالا با شدت پایین، یک تکنیک غیرمخرب است که برای اهداف تشخیص استفاده میشود و اطلاعاتی در مورد ویژگیهای فیزیکوشیمیایی محصولات غذایی مانند ساختار، سفتی، ترکیب، سرعت جریان، حالت فیزیکی و غیره ارائه میکند.
عملکرد امواج التراسونیک به توان ورودی بستگی دارد. بنابراین التراسونیک کم توان یک روش غیرمخرب غیر تهاجمی در نظر گرفته میشود و یک تکنیک مفید برای مشخص کردن ویژگیهای فیزیکوشیمیایی محصولات غذایی، تعیین نوع و محتویات اجزای غذا و اندازه گیری اندازه قطرات امولسیون است.
تابش محصولات غذایی توسط امواج مافوق صوت کم توان هیچ تغییر فیزیکی ایجاد نکرد، در واریانس امواج التراسونیک با قدرت بالا تغییرات را ایجاد کرد.
همچنین، به عنوان یک روش پردازش در صنعت مواد غذایی برای توصیف اجزای محصولات غذایی، اغلب در راستای تضمین کیفیت استفاده میشود.
آزمایش غیر مخرب اساساً با ارسال امواج التراسونیک از طریق محیط بدون ایجاد هیچ گونه تغییر دائمی الکتریکی، شیمیایی یا فیزیکی در محصولات غذایی انجام میشود.
این به دلیل استفاده از شدت مافوق صوت بسیار کم (<۱ W/cm2) است، بنابراین با استفاده از آن هیچ تغییری در غذاها ایجاد نمیشود.
هنگامی که امواج التراسونیک از محیط عبور میکنند، ذرات در محیط در پاسخ به امواج فراصوت با شدت کم (کم انرژی) نوسان میکنند.
پس از آن، ذرات در معرض امواج مافوق صوت به سادگی با توقف منبع دستگاه التراسونیک به موقعیت تعادل خود باز میگردند.
فاصله تا محل انعکاس را میتوان با اندازه گیری ضریب تضعیف و خواص فرکانس التراسونیک برای ارزیابی خواص فیزیکوشیمیایی و امکان تشخیص تغییرات ترکیبی در محصولات غذایی محاسبه کرد.
در استفاده از امواج مافوق صوت با شدت کم برای مشخص کردن خواص سبزیجات و میوهها، باید رابطهای بین ویژگی مورد اندازهگیری و هر پارامتر قابل اندازهگیری التراسونیک (مانند امپدانس، تضعیف یا سرعت) وجود داشته باشد.
پارامتر خاصی که اغلب بر خواص امواج مافوق صوت در سبزیجات و میوهها تأثیر میگذارد، وجود فضاهای هوایی بین سلولی است که باعث ایجاد یک پدیده تشدید بر فرکانسهای مافوق صوت در طیف وسیعی میشود.
فرکانس مناسبی که به طور معمول از طریق سبزیجات و میوهها منتقل میشود، بالای ۱ مگاهرتز در شدت کم است تا از آسیب به بافت گیاه جلوگیری شود.
از سوی دیگر، کاربردهای غیرمستقیم دیگری برای امواج فراصوت با فرکانس بالا در حوزه فرآوری مواد غذایی وجود دارد، مانند کاربرد التراسونیک در دستگاههای مرطوب کننده یا دستگاههای مهپاش که در مرطوبسازی یا هیدراتاسیون میوهها و سبزیجات تازه یا سیستمهای مرطوب کننده گوشت در سردخانه استفاده میشود.
اصل کار دستگاههای مرطوب کننده التراسونیک به تبدیل انرژی الکتریکی به ارتعاشات مکانیکی دورهای توسط مبدلهای پیزوالکتریک و بوق بستگی دارد که در فرکانسهای بالا ارتعاش میکنند.
مبدلهای پیزوالکتریک در انتهای آب قرار میگیرند تا امواجی با فرکانس بالا تولید کنند که به سمت بالا در آب منتشر میشوند.
سپس چرخه نادر شدن امواج التراسونیک باعث ایجاد کاویتاسیون میشود. علاوه بر این، آب روی مبدل پیزوالکتریک یک لایه موج دار تولید میکند.
اگر امواج دستگاه التراسونیک انرژی کافی داشته باشد که بتواند بر کشش سطح آب غلبه کند، قطرات از سطح بالای آب تولید میشوند.
هنگامی که دامنه سطح ارتعاش به سطحی افزایش مییابد که امواج مافوق صوت فرو میریزند و ناپایدار میشوند، قطرات از سطح آب به داخل مه پرتاب میشوند.
