کاربردهای اولتراسوند در فرایند مواد غذایی
کاربردهای اولتراسوند در فرایند مواد غذایی
1-presence / absence detection
وجود یا عدم وجود یک ماده در میان یک جفت مبدل یا بین یک مبدل و یک صفحه رفراکتومتر را می توان با اندازه گیری دامنه موج الکتریکی تعیین کرد. در صورتیکه مادهای وجود داشته باشد دامنه موج الکتریکی کاهش خواهد یافت. این تکنیک برای شمارش تعداد موادی که از یک نقطه مشخص بر روی نوار نقاله عبور می کنند مفید است. در صورتیکه سرعت نوار نقاله مشخص باشد اندازه اشیاء را نیز می توان تعیین کرد.
اولتراسوند می تواند برای تشخیص وجود یا عدم وجود یک ماده در قوطی، لوله، تانک و غیره نیز بکار برده شود. مبدل اولتراسونیک بر روی بخش خارجی دیواره آنها قرار داده شده و دامنه یک اکوی منعکس از قسمت داخلی دیواره اندازه گیری می شود این دامنه بستگی به مقاومت صوتی ماده موجود در تانک دارد. در صورتی که ماده ای در ظرف وجود نداشته باشد (امپدانس صوتی کم) دامنه اکوی دریافتی بیشتر از حالتی خواهد شد که ماده ای وجود داشته باشد.
این نوع سنسور می تواند برای تعیین اینکه آیا میزان مایع موجود در تانک پایین تر یا بالاتر از حد بحرانی شده است یا نه، و برای تعیین وجود بقای ماده در لوله بکار برده شود و مخصوصاً در رابطه با وسایل و ظروفی که مشاهده داخل آنها امکان پذیر نیست مفید می باشد.
مزیت این روش نسبت به سایر روش های تجارتی این است که در این جا تنها لازم است به یک طرف ظرف یا ماده مورد آزمایش دسترسی داشته باشیم.
2- تعیین ضخامت
یک مبدل اولتراسونیک در یک طرف ماده قرار گرفته و مدت زمانی که یک پالس عرض ماده را طی کرده و بر می گردد اندازه گیری می شود. در صورتیکه سرعت اولتراسوند در ماده مشخص باشد، مسافت طی شده با استفاده از 2d=ct محاسبه می شود.
اولتراسوند مخصوصاً در رابطه با تعیین ویژگی های موادی که دسترسی به آنها با روش های مرسوم مشکل است، مانند تعیین ضخامت لوله در صورتی که فقط دسترسی به قسمت بیرونی لوله امکان پذیر است مفید می باشد. هم چنین برای اندازه گیری ضخامت لایه های مخصوص در سیستم های چند لایه نیز می تواند بکاربرده شود.
تعیین ضخامت لایه های چربی و گوشت بی چربی دربافت حیوانی مشهورترین کاربرد اولتراسوند در صنایع غذایی در حال حاضر است و تعدادی دستگاه تجارتی برای درجه بندی کیفیت گوشت وجود دارد. این کاربرد بر اساس اندازه گیری فواصل زمانی بین پالس های اولتراسونیک منعکس شده از مرزهای میان لایه های چربی، بافت گوشت بی چربی و استخوان است مزیت این تکنیک ارزان بودن نسبی آن، کاربرد آسان آن و پیش بینی کیفیت گوشت حیوانات زنده می باشد.
سایر نمونه های تعیین ضخامت شامل تعیین سطح و وجود و یا عدم وجود مایع در تانکها، تعیین میزان مایع موجود در کنسرو، تعیین ضخامت پوشش های فرآورده های قنادی مانند ضخامت لایه شکلات در شیرینی جات و تعیین پوسته تخم مرغ می باشند.
3- تشخیص ماده خارجی
مواد خارجی نامطلوب مانند قطعات فلز، شیشه، چوب، پلاستیک و غیره ممکن است سبب آلودگی مواد غذایی در طی فرایند گردند. بسیاری از مواد غذایی از لحاظ نوری مات هستند و بنابراین روشهائی که از نور استفاده می کنند، نمی توانند کاربرد داشته باشند. در صورتیکه پالس اولتراسونیک در داخل یک نمونه منتشر گردد، از هر مانعی که سد راه آن قرار گیرد منعکس شده و سبب تفاوت نسبتاً زیادی در مقاومت صوتی بین غذا و ماده خارجی می شود. موادی نظیر شیشه، فلز و چوب که گاهی به داخل ماده غذایی راه می یابد مقاومتهای صوتی بزرگتری نسبت به سایر اجزاء غذایی دارند و بنابراین می توانند به آسانی توسط اولتراسوند مشخص شوند.
فاصله ماده خارجی از سطح قوطی با اندازه گیری زمان پالس های اولتراسونیک منعکس شده از ماده خارجی و دیواره قوطی تعیین می شود. d2=d1.t2/t1
با حرکت یک مبدل اولتراسونیک در اطراف نمونه، امکان تعیین اندازه و محل قرار گرفتن ماده خارجی و حتی محل بافت چربی در گوشت وجود دارد. این تکنیک یک مثال ساده از تکنیک های تصویر نگاری بکار برده شده برای تعیین سلامتی و تعیین جنس جنین در رحم می باشد.
4- اندازه گیری فلوریت
اندازه گیری فلوریت مواد در لوله ها در طی فرآیند، در بسیاری از کارخانجات غذائی حائز اهمیت است. انواع مختلفی از سنسورهای اولتراسونیک در دسترس هستند که می توانند برای اندازه گیری فلوریت (سرعت جریان) مایعات بکار برده شوند. فلومترهای اولتراسونیک ظرفیت تعیین فلوریت های در حدود چند متر در ثانیه در سیستم هائی که ابعاد آنها کمتر از mm1 است (مانند جریان خون در سیاهرگها) تا بیشتر از km1 (جریان آب در رودخانه ها) را دارند.
5- اندازه گیری درجه حرارت
خواص اولتراسونیک مواد نسبت به حرارت حساس می باشند و بهمین دلیل اولتراسوند را می توان در رابطه با اندازه گیری درجه حرارت نیز بکار برد. ترمومترهای اولتراسونیک از یک ماده استوانهای شکل تشکیل شده اند که یک ماده دیگر با امپدانس صوتی متفاوت به انتهای آن متصل شده است قسمتی از یک پالس اولتراسونیک انتشار یافته در طول استوانه منعکس شده و قسمت دیگر آن در مرز میان دو ماده عبور می کند. قسمت انعکاس یافته به سمت مولد بر می گردد در حالیکه قسمتی که عبور کرده، قبل از برگشت به مبدل؛ از میان قطعه نهایی عبور می کند. اختلاف در مدت زمان (t) بین دو اکو زمانی است که طول می کشد تا پالس دو بار طول قطعه نهائی (d) را طی کند. این زمان بستگی به سرعت اولتراسونیک ماده قطعه نهائی و طول آن دارد که هر دو با تغییر درجه حرارت، تغییر می کنند.
سنسورهای اولتراسوند در مواقعی که کاربرد سنسورهای مرسوم حرارتی براحتی امکان پذیر نیست مانند اندازه گیری درجه حرارت در محیطهای مایکروویو یا در محیطهای با درجه حرارت بالا، مفید هستند.
6- تعیین ترکیب و میکرواستراکچر
اولتراسوند برای اندازه گیری اجزاء تشکیل دهنده بسیاری از مواد غذائی مختلف از نیم قرن گذشته بکار برده شده است مانند اندازه گیری نسبت چربی به گوشت بدون چربی در بافت حیوانی (گوشت ها)، میزان روغن مواد غذائی چرب، مقدار چربی جامد، ترکیب شیر، غلظت قند، میزان الکل نوشیدنی های الکلی، تری گلیسریدها در روغن ها، اندازه گیری هوا در مواد غذائی حجیم شده، غلظت نمک در آب نمک و غلظت های بیوپلی مرها در ژل ها و محلولهای آبی.
خواص اولتراسونیک مواد بسیار ریز ناهمگن مانند امولسیون ها و سوسپانسیونها بستگی به اندازه ذرات دارد، در نتیجه بدست آوردن اطلاعاتی در رابطه با ویژگی های ملکولی یا میکرواستراکچر با کاربرد اولتراسوند امکان پذیر است. اندازه گیری سرعت اولتراسونیک و میزان تضعیف به عنوان تابعی از فرکانس برای تعیین توزیع اندازه ذرات بکار برده می شوند. اولتراسوند نسبت به سایر تکنیک های مورد استفاده برای تعیین میکرواستراکچر و ترکیب مواد، مزایایی دارد: اندازه گیری دقیق و سریع، کاربرد در سیستم های مات و غیر شفاف، غیر مخرب بوده و می تواند به طریقه on-line بکار برده شود.
7-on-line sensors
از ویژگی های این سنسورها توانائی آنها در اندازه گیری سریع، دقیق و غیر تخریبی مواد است. هم چنین این سنسورها بهداشتی بوده و هزینه نسبتاً پایینی دارند و می توانند فشارها و درجه حرارت های بکار رفته حین تولید و تمیز کردن مواد غذائی را تحمل نمایند. به علاوه مجهز به یک رابط کامپیوتری می باشند تا اطلاعات بتوانند مستقیماً توسط یک واحد کنترل فرآیند مورد استفاده قرار گیرند بنابراین می توانند در زمان واقعی اطلاعات دقیقی راجع به محصول ارائه کنند و رابط فوری بین فرآیند و کنترل آن هستند.
سنسور شامل یک مبدل اولتراسونیک است که در داخل یک لوله که ماده از میان آن جریان می یابد قرار داده می شود. زمانی که طول می کشد تا یک پالس عرض نمونه را طی کند (t) با استفاده از یک وسیله دیجیتالی اندازه گیری می شود و سرعت اولتراسونیک با دانستن قطر داخلی لوله (d) محاسبه می شود (c=2d/t) سپس سرعت با برخی خواص فیزیکی مورد نظر مانند غلظت قند، میزان چربی در مواد جامد یا اندازه ذرات ارتباط داده می شود. این وسیله می تواند در دیواره لوله های موجود در یک کارخانه نیز fit شود. بدلیل اینکه سنسور در دیواره لوله قرار گرفته است و در تماس با ماده غذائی نیست مشکلی از لحاظ بهداشتی یا cleaning-in-place نیز بوجود نمی آید.