PL204260B1

PL204260B1 - Sposób prowadzenia krystalizacji fazy stałej z ciekłego oleju tri-glicerydowego, sposób frakcjonowania oleju triglicerydowego, sposób przygotowania pasty do smarowania na bazie emulsji tłuszczu ciągłego, sposób przygotowywania pasty do smarowania na bazie emulsji wodno-oleistej

Info

Publication number: PL204260B1
Application number: PL363512A
Authority: PL
Inventors: Jo Janssen; Renoo Avinash Blindt; Maria Patrick; Berend Jan Arends
Original assignee: Unilever Nv
Priority date: 2000-07-18
Filing date: 2001-07-11
Publication date: 2009-12-31
Also published as: ATE453440T1; CA2427623A1; CA2427623C; US20020031577A1; EP1409100A1; PL363512A1; WO2002005921A1; AU2001279740A1; MY124902A; CZ20031463A3; HUP0303707A2; US6630185B2; ES2337445T3; HUP0303707A3; SK7392003A3; DE60140963D1; EP1409100B1

Description

Opis patentowy przedrukowano ze względu na zauważone błędy

Sposób prowadzenia krystalizacji fazy stałej z ciekłego oleju tri-glicerydowego, sposób frakcjonowania oleju tri-glicerydowego, sposób przygotowania pasty do smarowania na bazie emulsji tłuszczu ciągłego, sposób przygotowywania pasty do smarowania na bazie emulsji wodno-oleistej (30) Pierwszeństwo:

18.07.2000,GB,0017626.3

22.12.2000,EP,00204709.0 (43) Zgłoszenie ogłoszono:

29.11.2004 BUP 24/04 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono:

31.12.2009 WUP 12/09 (73) Uprawniony z patentu:

UNILEVER N.V.,Rotterdam,NL (72) Twórca(y) wynalazku:

Jo Janssen,Vlaardingen,NL

Renoo Avinash Blindt,Sharnbrook,GB

Maria Patrick,Sharnbrook,GB

Berend Jan Arends,Vlaardingen,NL (74) Pełnomocnik:

Markieta Jarosław, Rzecznik Patentowy, PATPOL Sp. z o.o.

PL 204 260 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób prowadzenia krystalizacji fazy stałej z ciekłego oleju triglicerydowego, sposób frakcjonowania oleju triglicerydowego, sposób przygotowania pasty do smarowania na bazie emulsji tłuszczu ciągłego, sposób przygotowywania pasty do smarowania na bazie emulsji wodno-oleistej, mające zastosowanie w przemyśle spożywczym. W szczególności przedmiotem wynalazku jest proces, w którym substancja płynna lub rozpuszczona podlega krystalizacji ze stanu płynnego lub z roztworu, po wystawieniu na oddziaływanie ultradźwięków. W szczególności przedmiotem prezentowanego procesu krystalizacji jest tłuszcz trójglicerydowy (trzy reszty kwasu tłuszczowego połączone ze strukturą glicerynową).

Tłuszcze trójglicerydowe używane do produkcji produktów spożywczych często muszą posiadać określone własności w odniesieniu do topnienia. Tłuszcze otrzymane ze źródeł naturalnych zwykle nie posiadają odpowiednich własności w odniesieniu do topnienia. Dlatego też tłuszcze te muszą zostać poddane obróbce modyfikującej. Taką obróbką modyfikującą jest frakcjonowanie tłuszczu. Obróbka frakcjonowania tłuszczu obejmuje fizyczne rozdzielenie mieszaniny trójglicerydowej na dwie lub więcej frakcji o różnych zakresach topienia i rozpuszczalności. Frakcjonowanie mokre obejmuje rozpuszczenie mieszaniny trójglicerydowej w gorącym rozpuszczalniku organicznym (na przykład heksanie), a następnie powolne wychładzanie do chwili, gdy część (frakcja) tłuszczu wykrystalizuje z roztworu.

Alternatywnie frakcjonowanie suche nie wykorzystuje rozpuszczalnika i obejmuje jedynie powolne wychładzanie płynnego tłuszczu. Opcjonalnie, w przypadku gdy mieszanina trójglicerydowa znajduje się w stanie stałym, jest ona wstępnie doprowadzana do stanu pełnej płynności. Frakcja tłuszczu o najwyższym zakresie krystalizacji krystalizuje jako pierwsza w procesie wystudzania. Ostatnim etapem zarówno w suchym jak i w mokrym sposobie frakcjonowania tłuszczu jest oddzielenie wykrystalizowanej frakcji (stearyna) od frakcji ciągle płynnej (oleina) przez odfiltrowanie.

Frakcjonowanie suche jest sposobem korzystniejszym w sytuacji, gdy pożądanym sposobem obróbki modyfikującej jest nie chemiczna obróbka modyfikująca. W przypadku tłuszczów mlecznych jest to jedyny akceptowalny sposób pozwalający na zachowanie jakości zapachowej produktu. Jednakże, frakcjonowanie suche jest sposobem mniej skutecznym i mniej podatnym na kontrolowanie niż frakcjonowanie mokre (Odnośnik 1).

Osad w filtrze będący wynikiem procesu frakcjonowania mokrego może zawierać jedynie 2% masy frakcji ciekłej (co oznacza się również jako 98% SE (separation efficiency - efektywności rozdzielania)). Dobry rezultat wynika z korzystniejszej morfologii kryształu i przemywania wykrystalizowanych frakcji czystym rozpuszczalnikiem. Zawartość cząstek stałych w osadzie w filtrze, będącym wynikiem standardowego procesu frakcjonowania suchego, zwykle wynosi około 60% (60% SE), pozostała część to oleina.

Gdy do fazy stopionej dodane zostają modyfikatory postaci kryształu (CHM), modyfikują morfologię kryształu w taki sposób, że możliwe jest wyprodukowanie bardziej zwartych kryształów, które mogą być łatwiej oddzielone od płynnej fazy oleinowej. Użycie substancji modyfikujących postać kryształu może zwiększyć efektywność rozdzielenia do 80%, ale za cenę znacznie wydłużonego czasu obróbki. Wprowadzenie substancji zmieniających postać kryształu spowalnia zarówno proces powstawania zarodków krystalizacji jak i sam wzrost kryształów. Ponadto niezbędne jest wprowadzenie dodatkowych po-produkcyjnych etapów pozwalających na usunięcie substancji zmieniających postać kryształu z pożądanych frakcji tłuszczów.

Sonokrystalizacja to wykorzystanie ultradźwięków w sposób wpływający na krystalizację cieczy, niezależnie czy jest to faza stopiona, czy roztwór. Ultradźwięki w języku potocznym to dźwięki o częstotliwości większej lub równej 20 kHz, nawet z zakresu MHz. W większości aplikacji wykorzystuje się ultradźwięki o częstotliwości od 20 kHz do 5 MHz. Warunek częstotliwości wyższej niż 20 kHz definiujący ultradźwięki jest arbitralny i historycznie związany ze średnim progiem słyszalności dla ucha ludzkiego. W kontekście tego opisu próg słyszalności jest bez znaczenia z technicznego punktu widzenia. Korzyści wnoszone przez wynalazek przejawiają się także dla częstotliwości poniżej 20 kHz. W kontekście tego opisu za ultradźwięki uznaje się dźwięki o częstotliwości od 10 kHz do 10 MHz.

Od roku 1927 wiadomo, że wystawienie przechłodzonego materiału roztopionego lub przegrzanych roztworów różnych substancji na oddziaływanie ultradźwięków w znacznym stopniu wpływa na tworzenie się zarodków krystalizacji i/lub wzrost kryształów. Efekt ten, sonokrystalizacja, został po raz pierwszy zaobserwowany podczas krystalizacji przesyconego roztworu tiosiarczanu. Od tamtej pory zjawisko sonokrystalizacji zostało gruntownie przebadane w wielu innych systemach. Obejmuje ono

PL 204 260 B1 etap początkowy tworzenia się kryształu, zostało przeanalizowane w przypadku cukru i jest wykorzystywane od końca lat pięćdziesiątych. Sonokrystalizacja przechłodzonej wody, przechłodzonych wytopów metali i przesyconych roztworów różnych materiałów nieorganicznych przyciągała wiele uwagi w latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych, w szczególności w Rosji.

Proces krystalizacji można podzielić na dwa etapy: etap tworzenia się zarodków krystalizacji (nukleacji) i etap wzrostu kryształu. W etapie tworzenia się zarodków krystalizacji tworzone są submikroskopowe zarodki krystalizacji, które przekształcają się w większe kryształy w kolejnym etapie wzrostu kryształu. W przypadku jednorodnej nukleacji kryształy powstają bezpośrednio z cieczy. Nukleacja niejednorodna jest procesem zachodzącym za pośrednictwem cząstek obcych, znajdujących się w cieczy. Nukleacja wtórna to proces nukleacji, w którym w procesie tworzenia się zarodków krystalizacji pośredniczą istniejące już kryształy. Uważa się, że proces według prezentowanego wynalazku w wię kszym stopniu wpł ywa na proces nukleacji jednorodnej.

Opublikowane korzyści wynikające z zastosowania sonokrystalizacji, obejmują:

- Szybsze zarodkowanie, przebiegaj ą ce dosyć jednorodnie w całej obję toś ci oddział ywania ultradźwięków,

- Stosunkowo łatwiejszą nukleację materiałów, których krystalizacja w innych warunkach jest trudna do przeprowadzenia,

- Tworzenie mniejszych, czystszych i bardziej jednorodnych kryształów.

Literatura dotycząca procesu sonokrystalizacji obejmuje pozycje przeglądowe na przykład autorstwa Kapustin'a (Odnośnik 2) i Hem'a (Odnośnik 3).

Gdy ciecz jest wystawiona na oddziaływanie ultradźwięku, powstają w niej mikroskopijne bąbelki gazu/próżni, które cechuje zachowanie dynamiczne - pulsują. Jedno ze zjawisk wzbudzanych ultradźwiękowo bąbelków zostało określone mianem kawitacji. Gdy natężenie ultradźwięków wzrasta i przekracza określoną granicę - próg kawitacji, w znaczący sposób zmienia się charakter kawitacji, przejawia się to niestabilnością bąbelków. W czasie części okresu fali dźwiękowej bąbelki szybko rosną, następnie gwałtownie zapadają się. Zapadające się gazowe bąbelki wytwarzają bardzo wysokie ciśnienie i temperaturę lokalnie wewnątrz bąbelka, jak również wysokie ciśnienie w warstwie cieczy otaczającej bąbelek (patrz opracowanie Hem'a z roku 1967).

Kawitacja, którą cechuje takie gwałtowne zachowanie jest określana mianem kawitacji przejściowej lub bezwładnej (Odnośnik 5). Przez wielu użytkowników ultradźwięków terminy kawitacja i kawitacja przejś ciowa są używane zamiennie.

Zgodnie z powszechną opinią naukową, która trwa do tej chwili (przykładowo Odnośniki 4 i 8) mechanizm fizyczny leżący u podstaw zjawiska sonokrystalizacji i korzyści z niego wynikające należy zawdzięczać występowaniu kawitacji przejściowej. Przewiduje się, że przy braku kawitacji przejściowej, korzyści wynikające ze zjawiska sonokrystalizacji nie będą występować.

Po okresie lat sześćdziesiątych zainteresowanie naukowe sonokrystalizacją zdawało się słabnąć. Nie ogłoszono żadnych fundamentalnie nowych faktów w uważanym za podstawowy mechanizmie kawitacji. Jednakże, rozwój technologiczny i zastosowanie ultradźwięków w procesach krystalizacji różnych materiałów trwał nadal.

Przedmiotem kilku zgłoszeń patentowych jest sonokrystalizacja tłuszczów jadalnych. Dokument WO 92/20420 opisuje sposób i urządzenie do kontrolowania krzepnięcia cieczy. Ciecz, która ma zakrzepnąć, jest poddawana między innymi oddziaływaniu kawitacji ultradźwiękowej, z zamiarem kontrolowania etapu tworzenia zarodników krystalizacji i/lub etapu wzrostu kryształu w procesie krzepnięcia. W zgodzie z przeważ ają cymi poglądami, warunki ultradź wię kowe wymagane do zainicjowania powstawania zarodników krystalizacji zostały tak wybrane, aby powstała kawitacja przejściowa, co wymaga zastosowania ultradźwięków o dużej intensywności.

Patent EP 765605 opisuje efekt obróbki ultradźwiękowej powstających zarodków krystalizacji tłuszczu. Patent ten opisuje sposób przyspieszania transformacji polimorficznej kompozycji tłuszczów jadalnych. Kompozycje takie, w stanie przechłodzonym w temperaturze około 4°C, są wystawione na oddziaływanie energii ultradźwięków przez czas i o częstotliwości wystarczającej do wzbudzenia nukleacji stabilnych polimorficznych kryształów bez przekraczania temperatury topnienia takich kryształów. Typowe tłuszcze poddawane obróbce według tego sposobu to tłuszcz mleka i tłuszcze używane w lodach, czekoladzie, margarynie i jogurtach.

Opis EP 765606 opisuje sposób opóźniania wykwitania tłuszczu na czekoladzie i innych spożywczych kompozycjach tłuszczowych zawierających masło kakaowe. Sposób zawiera przechładzanie stopionego tłuszczu o temperaturze co najmniej 3°C poniżej temperatury topnienia kryształów

PL 204 260 B1 β-polimorficznych. Przez wystawienie na oddziaływanie efektywnej energii ultradźwięków uzyskuje się stabilne kryształy.

W tych opisach kawitacja jest prezentowania jako wyraźny powód wzmożonej nukleacji i zmienionej morfologii kryształu.

Tradycyjna sonokrystalizacja jednakże posiada także poważne wady. Sonokrystalizacja może wyzwolić reakcje sonochemiczne, niektóre z nich uważa się za przyczynę powstawania wolnych rodników. Tłuszcze trójglicerydowe, w szczególności oleje nienasycone, są bardzo podatne na uszkodzenie przez utlenienie, powodowane przez dekompozycję lipo(hydro)nadtlenków tworzonych przez wolne rodniki. Powstające zmiany zapachu i zmiany smaku są czynnikami decydującymi o tym, że sonokrystalizacja nie znalazła szerokiego zastosowania w przetwórstwie jadalnych tłuszczów nienasyconych. Niewielkie zmiany zapachu we wcześniej nasyconych tłuszczach w czekoladzie, przedstawione w wymienionych powyżej opisach, są prawie niewyczuwalne, a stają się jeszcze mniej wyczuwalne w kompozycji gotowych produktów czekoladowych. Chemicy o odpowiednim doświadczeniu w dziedzinie tłuszczów podtrzymują pogląd, że sonokrystalizacja nienasyconych tłuszczów jadalnych jest niemożliwa bez niekorzystnej zmiany ich zapachu i smaku.

Twórcy zauważyli, że korzystna opinia dotycząca korzystnych efektów sonokrystalizacji tłuszczu i wiążąca je nierozłącznie z kawitacją przejściową bazuje wyłącznie na uprzedzeniach.

Istotą wynalazku jest sposób prowadzenia krystalizacji fazy stałej z ciekłego oleju triglicerydowego, w którym ciekły olej triglicerydowy poddaje się oddziaływaniu ultradźwięków i dobiera się czas oddziaływania ultradźwięków i częstotliwość w zależności od rodzaju stosowanej cieczy, charakteryzujący się tym, że nie dopuszcza się do powstawania zjawiska kawitacji przejściowej dobierając wystarczająco długi czas oddziaływania i dobierając częstotliwość wystarczającą do wzbudzenia nukleacji stabilnych kryształów w ciekłym oleju triglicerydowym, przy czym natężenie ultradźwięków dobiera się na tak niskim poziomie, że hydrofon wykrywający dźwięki emitowane przez wystawiony na oddziaływanie ultradźwięków ciekły olej triglicerydowy pokazuje wzorzec pozbawiony sygnałów szerokopasmowego szumu kawitacyjnego.

Korzystnie sposób według wynalazku charakteryzuje się tym, że natężenie ultradźwięków dobiera się na tak niskim poziomie, że hydrofon wykrywający dźwięki emitowane z oleju triglicerydowego wystawionego na oddziaływanie ultradźwięków pokazuje sygnał odpowiadający głównej częstotliwości oraz kolejne sygnały odpowiadające pierwszej częstotliwości sub-harmonicznej, dla której współczynnik natężenia dalszego sygnału do sygnału głównego wynosi < 0,5.

Ponadto korzystnie sposób według wynalazku charakteryzuje się tym, że natężenie ultradźwięku dobiera się na tak niskim poziomie, że hydrofon wykrywający dźwięk emitowany z ciekłego oleju triglicerydowego wystawionego na oddziaływanie ultradźwięku pokazuje pojedynczy sygnał odpowiadający głównej częstotliwości przy braku dodatkowych sygnałów odpowiadających częstotliwościom sub-harmonicznym.

Korzystnie sposób według wynalazku charakteryzuje się tym, że stosuje się system generowania ultradźwięku, dla którego współczynnik mechaniczny (MI) wynosi < 0,7, gdzie

MI = (Pneg [MPa>/V f [MHz]

MI = (pNEG[MPa]) / oraz gdzie pNEG[MPa] jest amplitudą ciśnienia akustycznego pola ultradźwiękowego (amplitudą ciśnienia), a f [MHz] jest częstotliwością fali ultradźwiękowej.

Ponadto sposób według wynalazku charakteryzuje się tym, że ciekły olej triglicerydowy jest olejem triglicerydowym pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego lub mieszaniną olejów obu tych gatunków.

Korzystnie sposób według wynalazku charakteryzuje się tym, że ciekły olej triglicerydowy jest olejem roślinnym, który wybiera się z grupy zawierającej olej rzepakowy, olej palmowy, olej słonecznikowy, olej z orzeszków ziemnych, olej gorczyczny, olej szafranowy, olej sezamowy, olej kukurydziany, olej sojowy, olej bawełniany, olej lniany i olej z oliwek.

Ponadto sposób według wynalazku charakteryzuje się tym, że olej triglicerydowy jest upłynnionym tłuszczem mlecznym.

Ponadto istotą wynalazku jest także sposób frakcjonowania oleju triglicerydowego, w którym tłuszcz triglicerydowy znajdujący się w stanie stałym, podgrzewa się aż do chwili, w której w oleju nie występuje tłuszcz triglicerydowy w stanie stałym, następnie olej triglicerydowy wychładza się i poddaje

PL 204 260 B1 krystalizacji dającej frakcję stearyny stałej i frakcji oleiny płynnej, a następnie wydobywa się frakcję stearyny przez oddzielenie jej od frakcji oleiny. Sposób według wynalazku charakteryzuje się tym, że w czasie trwania wychł adzania i krystalizacji olej wystawia się na oddział ywanie ultradź wię ków przy braku kawitacji przejściowej.

Ponadto istotą wynalazku jest sposób przygotowania pasty do smarowania na bazie emulsji tłuszczu ciągłego, w którym miesza się płynną fazę tłuszczu niezawierającą tłuszczów stałych i fazy wodnej do uzyskania emulsji wodno-olejowej, a następnie wychładza się i poddaje emulsję obróbce dla uzyskania częściowej krystalizacji tłuszczu, aż do chwili uzyskania żądanej konsystencji i tekstury. Sposób według wynalazku charakteryzuje się tym, że w czasie krystalizacji tłuszczu emulsję wystawia się na oddziaływanie ultradźwięków przy braku kawitacji przejściowej.

Ponadto istotą wynalazku jest sposób przygotowywania pasty do smarowania na bazie emulsji wodno-oleistej, w którym przygotowuje się emulsję wodno-oleistą zawierającą rozproszoną fazę wodną, zawierającą rozproszony w pełni ciekły tłuszcz, wychładza się emulsję z częściową krystalizacją tłuszczu, tak że uzyskuje się rozproszony częściowo wykrystalizowany tłuszcz w jednorodnej fazie wodnej, następnie przekształca się emulsję wodno-oleistą na emulsję zawierającą ciągły tłuszcz, a następnie obrabia się i wychładza rozproszoną emulsję zawierającą ciągły tłuszcz tak, aby wywołać dalszą częściową krystalizację tłuszczu, aż do uzyskania żądanej konsystencji i tekstury. Sposób według wynalazku charakteryzuje się tym, że w czasie krystalizacji tłuszczu emulsję wystawia się na oddziaływanie ultradźwięków przy braku kawitacji przejściowej.

Ponadto istotą wynalazku jest sposób przygotowywania pasty do smarowania na bazie emulsji wodno-oleistej, w którym przygotowuje się emulsję wodno-oleistą zawierającą ciągłą fazę wodną, zawierającą rozproszony w pełni ciekły tłuszcz i wychładza się uzyskaną zawiesinę tak, że uzyskuje się rozproszony, częściowo wykrystalizowany tłuszcz w jednorodnej fazie wodnej, następnie wychładza się i poddaje obróbce ciągłej emulsję tłuszczu dla uzyskania częściowej krystalizacji tłuszczu aż do uzyskania żądanej konsystencji i tekstury. Sposób według wynalazku charakteryzuje się tym, że w czasie krystalizacji tłuszczu emulsję wystawia się na oddziaływanie ultradźwięków przy braku kawitacji przejściowej.

Twórcy zauważyli, że sonokrystalizacja może w sposób znaczący zwiększyć szybkość nukleacji w procesie krystalizacji tłuszczu, także gdy jest zastosowana przy braku kawitacji przejściowej. Niekorzystne zjawiska sonochemiczne wraz z towarzyszącymi im niekorzystnymi zmianami zapachu nie występują. Głównym osiągnięciem była znacząca poprawa efektywności rozdzielania frakcjonowania suchego, czułego na utlenianie tłuszczu, bez spodziewanych uszkodzeń związanych z utlenianiem i bez niekorzystnych zmian smaku i zapachu uzyskanych frakcji tł uszczu (patrz przykł ad 4).

Zasadniczo prezentowany wynalazek wprowadza proces krystalizacji fazy stałej z fazy ciekłej, która to faza ciekła została poddana oddziaływaniu ultradźwięków, gdzie wystawienie na oddziaływanie ultradźwięków występuje w takich warunkach, że kawitacja przejściowa nie występuje i przez okres czasu, i przy częstotliwości wystarczającej do wzbudzenia nukleacji w cieczy stabilnych kryształów.

Przedmiot wynalazku został przedstawiony w korzystnym przykładzie wykonania na rysunku, na którym: fig. 1 jest schematem, który przedstawia różne aplikacje wysokoenergetycznych ultradźwięków, w zakresie (wzdłuż osi Y) od małych natężeń do dużego natężenia dźwięku i (wzdłuż osi X) od stosunkowo niskich częstotliwości do częstotliwości wysokich; fig. 2 przedstawia eksperymentalny zespół komory ultradźwiękowej, w której zmianie mogą ulegać różnego rodzaju warunki wpływające na kawitację; fig. 3 przedstawia typowy wykres spektrografii masowej, na którym widoczne są piki próbek oleju słonecznikowego, poddanych oddziaływaniu ultradźwięków i nie poddanych oddziaływaniu ultradźwięków; fig. 4 przedstawia profile czas/temperatura dwóch mieszanek tłuszczów w trakcie wychładzania; fig. 5 przedstawia pojedynczy sygnał hydrofonowy o częstotliwości 1,5 MHz i natężeniu 1,5 W/cm² dla próbki oleju poddanej oddziaływaniu ultradźwięków, na którym oprócz piku częstotliwości podstawowej nie widać żadnych innych składowych harmonicznych, taki wykres hydrofonowy jest charakterystyczny dla braku kawitacji przejściowej; fig. 6 przedstawia dla próbki oleju poddanego oddziaływaniu ultradźwięków, w przeciwieństwie do fig. 5, początek podharmonicznych przy częstotliwości 1,5 MHz, dla której energie dźwięku wzrosły do takiego poziomu, że przekroczono próg kawitacji.

Zasadniczo, kawitacja przejściowa nie występuje przy niskim natężeniu ultradźwięków. Gdy natężenie dźwięku wzrasta, prawdopodobnie przekroczony zostaje próg kawitacji. Tak jak to przedstawiono w kilku źródłach (patrz Odnośniki 7 i 9), wystąpienie kawitacji przejściowej zależy zasadniczo od natężenia energii dźwięku, ale także od szeregu innych czynników. Najważniejszymi z tych dodatkowych czynników są częstotliwość ultradźwięków, temperatura i lepkość cieczy, ilość rozpuszczonego

PL 204 260 B1 gazu oraz obecność substancji aktywnych powierzchniowo, wpływających na naprężenie powierzchniowe bąbelków. Fig. 1 przedstawia obszary, w których dla różnych aplikacji ultradźwięków prawdopodobne jest wystąpienie kawitacji przejściowej. Na osi X odłożono częstotliwość dźwięku, na osi Y natężenie dźwięku. Dla aplikacji znajdujących się w prawym górnym narożniku kawitacja przejściowa występuje zawsze, dla aplikacji przedstawionych w dolnym lewym narożniku kawitacja przejściowa nigdy nie występuje. Nie można podać ogólnych i ostro zdefiniowanych linii podziału rozróżniających progi intensywności. Jednakże, w sytuacji operacyjnej przy wykonaniu kilku prób możliwe jest określenie intensywności dźwięku o danej częstotliwości, dla której nie występuje kawitacja. Jak stwierdzono poniżej dla każdej sytuacji operacyjnej dostępne są wskaźniki, przy pomocy których możliwe jest odróżnienie czy oddziaływanie ultradźwięków na ciecz zachodzi w obecności, czy przy braku kawitacji. Powszechnie stosowane wyrażenia „warunki subkawitacyjne użyte w odniesieniu do oddziaływania ultradźwięków, oznaczają zasadniczy brak kawitacji przejściowej w całej objętości cieczy krystalizującej.

Praktycznym wskaźnikiem braku kawitacji przejściowej jest wartość indeksu mechanicznego (MI) rzeczywistego systemu generującego ultradźwięki. MI jest zdefiniowany w sposób następujący:

MI = (Pneg [MPa>/V f [MHz] gdzie pNEG[Mpa] jest amplitudą ciśnienia akustycznego pola ultradźwiękowego (amplitudą ciśnienia), a f [MHz] jest częstotliwością fali ultradźwię kowej. Współczynnik MI jest używany jako wskaźnik zagrożenia wskazujący najwyższe prawdopodobieństwo wystąpienia kawitacji bezwładnej. Wskaźnik ten został użyty przez Amerykański Instytut Zastosowania Ultradźwięków w Medycynie jako sygnał wyjściowy zmieniający się w czasie rzeczywistym do oceny potencjalnego ryzyka wystąpienia kawitacji tak, że możliwe jest jej uniknięcie podczas badania (Odnośnik 5). Według Apfel'a i Holland'a (Odnośnik 7) kawitacja przejściowa nie występuje, gdy współczynnik MI systemu nie przekracza wartości progowej 0,7. Tak więc częstotliwość i amplituda ultradźwięku są dobierane tak, aby nie przekraczano tej wartości progowej. Ponieważ natężenie dźwięku (I) jest powiązane z amplitudą ciśnienia pNEG zgodnie z funkcją ₂

I = p_NEG ² / 2ρ c natężenie ultradźwięków nie powinno przekraczać odpowiedniej wartości progowej natężenia, gdzie ρ (ro) jest gęstością cieczy, a c jest prędkością dźwięku, które to wartości w przypadku tłuszczu wynoszą odpowiednio około 920 kg/m³ i 1400 m/s (w wodzie są trochę inne).

Wskaźnik progowy bazujący na wartości współczynnika MI umożliwia pozbawione ryzyka rozróżnienie mechanicznie bezpiecznych warunków oddziaływania ultradźwięków, w których może występować niebezpieczna kawitacja przejściowa, ale nie ma pewności, czy taka kawitacja występuje. Wskaźnik ten precyzyjnie wskazuje brak kawitacji, mniej precyzyjnie pokazuje sytuację, w której występuje kawitacja przejściowa.

Alternatywnym popularnym i praktycznym sposobem wykrywania obecności kawitacji przejściowej jest obserwacja „sonoluminescencji, która jest emisją bardzo krótkich błysków światła spowodowanych zapadaniem się bąbelków kawitacyjnych w obecności odpowiednich związków chemicznych (Odnośnik 6). Jednakże sposób ten nie jest sposobem korzystnym do prostego określania warunków braku kawitacji przejściowej.

Najkorzystniej jednakże występowanie kawitacji przejściowej można wykryć poprzez monitorowanie przy użyciu hydrofonu dźwięku emitowanego przez ogniwo poddane oddziaływaniu ultradźwięków. Hydrofon jest urządzeniem, które przekształca energię dźwiękową emitowaną z ogniwa poddanego oddziaływaniu ultradźwięków na obraz prezentowany na oscyloskopie. Osoba o stosownym wykształceniu odczytująca obrazy, z łatwością rozpozna kawitację przejściową po wyglądzie pików charakterystycznych harmonicznych i sub-harmonicznych oraz ewentualnemu pojawieniu się „szumu, który odpowiada pełnej kawitacji. Harmoniczne i sub-harmoniczne wynikają z nieliniowości drgań silnie wzbudzanych bąbelków kawitacyjnych. Fale uderzeniowe wytwarzane przez implodujące bąbelki stają się widoczne, ponieważ powodują one szerokopasmowe impulsy w spektrum częstotliwości. Nałożenie wielu takich sygnałów pochodzących od wszystkich implozji bąbelków wygenerowanych przez pole dźwiękowe kawitacji sprawia, że pojawia się szerokopasmowy „szum we wzorze sygnału. Tak więc takie sygnały szumu wskazują na wiele gwałtownych implozji bąbelków, które są charakterystyczne dla kawitacji przejściowej. Przeciwnie, oscylacje bąbelków w stanie stabilnym, przy braku kawitacji przejściowej, nie powodują powstawania szumu w obrazie sygnału z hydrofonu (Odnośnik 9).

PL 204 260 B1

Proces sonokrystalizacji według prezentowanego wynalazku wykorzystuje ultradźwięki o tak niskim natężeniu, że hydrofon, wykrywając dźwięk emitowany przez ciecz wystawioną na oddziaływanie ultradźwięków, przedstawia wzór sygnału, pozbawiony szerokopasmowego sygnału szumu kawitacyjnego.

Korzystny przykład wykonania wynalazku charakteryzuje się tym, że natężenie ultradźwięków znajduje się na tak niskim poziomie, że hydrofon, wykrywający dźwięki emitowane z cieczy wystawionej na oddziaływanie ultradźwięków, prezentuje wykres o jednym głównym sygnale odpowiadającym głównej częstotliwości emisji i kolejny sygnał odpowiadający pierwszej częstotliwości sub-harmonicznej, gdzie współczynnik natężenia tego drugiego sygnału do sygnału głównego, współczynnik wartości szczytowej AS/AF jest < 0,5.

Korzystniej natężenie ultradźwięku znajduje się na tak niskim poziomie, że sygnał hydrofonu, wykrywającego dźwięki emitowane z cieczy wystawionej na oddziaływanie ultradźwięków, przedstawia wykres zawierający jeden sygnał główny odpowiadający głównej częstotliwości emisji, przy braku zasadniczo innych sygnałów dodatkowych, odpowiadających częstotliwościom sub-harmonicznym.

Należy zauważyć, że zastrzegany warunek „braku kawitacji przejściowej obejmuje warunki, w których okresowo może wystąpić kawitacja przejściowa. Taka okresowa kawitacja przejściowa nie jest przyczyną powstawania szumu wykrywanego przez hydrofon, a więc nie będzie miała niekorzystnego wpływu na smakowe właściwości obrabianego tłuszczu.

Ponadto należy zauważyć, że natężenie energii emitowanej przez sondę ultradźwiękową zanika wraz ze wzrostem odległości od źródła energii. W stosunkowo dużej odległości od sondy zawsze występują warunki braku kawitacji. W dużej objętości cieczy kawitacja może występować w pobliżu sondy ultradźwiękowej, podczas gdy w tym samym czasie w miejscach odległych tej samej cieczy występują warunki braku kawitacji przejściowej. Tak więc kryterium prezentowanego wynalazku jest fakt braku kawitacji przejściowej w całej objętości cieczy poddawanej oddziaływaniu ultradźwięków.

Warunki procesu inne niż natężenie ultradźwięków, takie jak czas, temperatura i częstotliwość, tak jak wspomniane wcześniej, mogą zostać prosto zoptymalizowane przez osoby o stosownym wykształceniu przy zastosowaniu metody prób i błędów. Odkryto, że, przykładowo, dla krystalizacji ultradźwiękowej bezwodnego tłuszczu mleka optimum natężenia znajduje się tuż poniżej progu kawitacji (Przykład 4). Ogólnie, zbyt długie wystawienie skrystalizowanego tłuszczu na oddziaływanie ultradźwięków może spowodować załamanie struktury kryształu. Sonokrystalizacja jest szczególnie efektywna, gdy została poprzedzona wychładzaniem do tego stopnia, że układ stał się przechłodzony.

Zasadniczo, prezentowany wynalazek jest odpowiedni do sonokrystalizacji wszystkich rodzajów cieczy. Odkryto, że jest szczególnie korzystny w przypadku sonokrystalizacji olejów trójglicerydowych zarówno pochodzenia roślinnego jak i zwierzęcego lub mieszaniny obu tych gatunków. Korzystnie, olej trójglicerydowy jest olejem pochodzenia roślinnego i został wybrany z grupy zawierającej olej rzepakowy, olej palmowy, olej słonecznikowy, olej z orzeszków ziemnych, olej gorczyczny, olej szafranowy, olej sezamowy, olej kukurydziany, olej sojowy, olej bawełniany, olej lniany i olej z oliwek. Oleje pochodzenia zwierzęcego zawierają oleje ze zwierząt morskich i tłuszcz mleczny. Wszystkie te tłuszcze są w większym lub mniejszym stopniu nienasycone i są podatne na niekorzystne oddziaływanie sonochemiczne oraz zniekształcenia smaku, gdy są poddawane tradycyjnej sonokrystalizacji.

Niektóre tłuszcze, które pozostają w stanie stałym w temperaturze otoczenia, przechodzą do fazy ciekłej w wyniku podgrzania realizowanego przed procesem frakcjonowania suchego. Większość ze wspomnianych tłuszczów roślinnych jest w postaci ciekłej i nie wymaga stosowania początkowego etapu upłynniania.

Korzystnie tłuszcze te to tłuszcze niezmodyfikowane, jednakże korzyści wynalazku są także możliwe do osiągnięcia w przypadku tłuszczów modyfikowanych, takich jak tłuszcze utwardzane lub tłuszcze, które zostały poddane ekstryfikacji wewnątrzcząsteczkowej.

Korzystnym przykładem wykonania prezentowanego wynalazku jest proces frakcjonowania tłuszczu trójglicerydowego, który zawiera etapy:

a) gdy tłuszcz znajduje się w stanie stałym, podgrzewania tłuszczu trójglicerydowego, aż do chwili, gdy w oleju nie występuje tłuszcz trójglicerydowy w stanie stałym;

b) umożliwienie olejowi trójglicerydowemu wychłodzenia i krystalizacji dającej frakcję stearyny stałej i frakcji oleiny płynnej;

c) wydobywania frakcji stearyny przez oddzielenie jej od frakcji oleiny, który charakteryzuje się tym, że w czasie trwania etapu b, olej wystawia się na oddziaływanie ultradźwięków przy braku kawitacji przejściowej.

PL 204 260 B1

Typowy zbiornik przystosowany do frakcjonowania wsadowego jest wyposażony w odpowiednie środki umożliwiające wymianę ciepła, mieszanie zawartości zbiornika, emisję ultradźwięków oraz umożliwiające monitorowanie występowania zjawiska kawitacji. Należy zauważyć, że urządzenia alternatywne mogą zostać zastosowane w rozwiązaniach, które mogą być równie dobrze zastosowane do realizacji prezentowanego wynalazku. Zbiornik do obróbki z wykorzystaniem ultradźwięków może być wypełniany poprzez jednostkę wychładzania wstępnego; obróbka z wykorzystaniem ultradźwięków rozpoczyna się bądź w tej jednostce lub w rurze doprowadzającej ciecz, która ma zostać poddana krystalizacji, do głównego zbiornika krystalizacji.

Inne przykłady wykonania wynalazku odnoszą się do procesów przygotowania jadalnych emulsyjnych past do smarowania, które mogą zawierać wodę lub tłuszcz. Najbardziej popularne pasty do smarowania takie jak margaryna zawierają fazę rozpraszającą tłuszcz i wodną fazę rozproszoną. Takie pasty do smarowania są tradycyjnie przygotowywane przez przepuszczenie mieszaniny fazy wodnej i fazy oleistej poprzez szereg złożony z jednego lub wielu wymienników ciepła o powierzchniach turbulentnych oraz mieszadeł kołkowych. Faza oleista tych mieszanin podlega krystalizacji wynikającej z wychładzania w takich warunkach, że uzyskuje się emulsję W/O, w której listki niewielkich kryształów nadają żądaną konsystencję i stabilizują rozproszoną fazę wodną.

Alternatywnie proces produkcji pasty do smarowania może rozpoczynać się od wytworzenia emulsji rozpraszającej fazy wodnej i zawierać etap inwersji faz, którego celem jest nadanie ciągłości tłuszczu w emulsji pasty do smarowania.

Sieć krystaliczna tłuszczu w paście do smarowania musi zawierać stałe tłuszcze nasycone.

Ze względów zdrowotnych jak i z uwagi na koszty surowców zawartość takich tłuszczów nasyconych jest ograniczana do minimalnych ilości funkcjonalnych. Okazało się, że prezentowany wynalazek posiada korzystny wpływ na proces nukleacji i ewentualnie wytrzymałość sieci krystalicznej tłuszczu, którą uzyskuje się nawet dla stosunkowo niskich poziomów tłuszczu stałego w produkcie typu pasta do smarowania o dobrej konsystencji, teksturze i stabilności.

W rezultacie prezentowany wynalazek obejmuje sposób przygotowania pasty do smarowania na bazie emulsji tłuszczu ciągłego, zawierający etapy:

a) mieszania płynnej fazy tłuszczu nie zawierającej zasadniczo żadnych tłuszczów stałych i fazy wodnej dla uzyskania emulsji wodno-olejowej;

b) wychładzania i poddawania emulsji obróbce w celu uzyskania częściowej krystalizacji tłuszczu, aż do chwili uzyskania żądanej konsystencji i tekstury, który charakteryzuje się tym, że w etapie obejmującym krystalizację tłuszczu, emulsja jest wystawiona na oddziaływanie ultradźwięków przy braku kawitacji przejściowej.

Alternatywnie, prezentowany wynalazek sposób przygotowania past do smarowania na bazie emulsji wodno-oleistej, zawierający etapy:

a) przygotowywania emulsji wodno-oleistej zawierającej rozproszoną fazę wodną, zawierającą rozproszony w pełni ciekły tłuszcz, wychładzanie emulsji powoduje częściową krystalizację tłuszczu tak, że uzyskuje się rozproszony, częściowo wykrystalizowany tłuszcz w ciągłej fazie wodnej,

b) przekształcania emulsji wodno-oleistej na emulsję zawierającą ciągły tłuszcz w zwykły sposób,

c) obrabiania i wychładzania emulsji zawierającej ciągły tłuszcz tak, aby wywołać dalszą częściową krystalizację tłuszczu, aż do uzyskania żądanej konsystencji i tekstury, który wyróżnia się tym, że na etapie obejmującym krystalizację tłuszczu emulsja jest wystawiona na oddziaływanie ultradźwięków przy braku kawitacji przejściowej.

W prezentowanym procesie produkcji pasty do smarowania, wynalazek jest korzystny w przypadku produkcji pasty do smarowania zawierającej emulsję, w której tłuszcz jest w postaci jednorodnej. Właściwa krystalizacja odgrywa także rolę podczas produkcji pasty do smarowania, w której tłuszcz znajduje się w fazie rozproszonej i gdzie sonokrystalizacja według prezentowanego wynalazku jest także najlepszym narzędziem.

Dawno odkrytą zaletą sonokrystalizacji jest jej potencjalny wpływ na właściwości wykrystalizowanego tłuszczu. Formowanie się jednej odmiany polimorficznej tłuszczu może być uprzywilejowane względem innej odmiany. Ponieważ niektóre odmiany polimorficzne posiadają korzystne własności, sonokrystalizacja wprowadza narzędzie umożliwiające poprawę własności uzyskiwanego tłuszczu i pośrednio poprawę własności produktów spożywczych zawierających tłuszcze trójglicerydowe.

PL 204 260 B1

Należy zauważyć, że wynaleziona obróbka dźwiękowa jest nowym narzędziem do modyfikacji tłuszczu, które stwarza możliwość, ale nie gwarantuje lepszej nukleacji lub powstawania morfologii kryształu zwiększającej efektywność oddzielania.

Procesy, składniki i urządzenia do frakcjonowania tłuszczu i do przygotowywania pasty do smarowania zawierającej taką emulsję, fazy jednorodne tłuszczu jak również fazy wodne, są dobrze znane osobom o stosownym wykształceniu i można je odnaleźć wraz ze wszystkimi szczegółami w różnych pozycjach książkowych, takich jak K.A. Alexandersen, „Margarine Processing Plants and Equipment (Instalacje i urządzenia do przetwarzania margaryny) (Tom. 4 Bailey's Industrial and Fat Products, Wiley and Sons Inc., Nowy Jork 1996).

Oprócz komercyjnych sond wyposażonych w urządzenia do generowania dźwięków wywołujących kawitację przejściową, zastosowano do wystawienia poniższych przykładowych próbek na oddziaływanie ultradźwięków eksperymentalne urządzenie przedstawione na fig. 2. Urządzenie to zawiera zbiornik 1 posiadający wewnętrzną plexiglasową osłonę 2 i zewnętrzną plexiglasową osłonę 3. Zbiornik 1 jest zasadniczo cylindryczny i zamknięty na obu krańcach. Do wnętrza zbiornika 1 poprzez jeden z jego krańców wprowadzona jest termopara 4. Termopara jest połączona z układem hydrofonu do monitorowania emitowanych ultradźwięków.

Na jednym z krańców zbiornika 1 do wnętrz komory wprowadzono zwoje chłodzące/nagrzewające oraz mieszadło łopatkowe. Obwodowo wokół obrzeża wewnętrznej osłony plexiglasowej 2 umieszczono dwa owalne przetworniki 5 i 6 generujące ultradźwięki. Przetworniki są utrzymywane na swoim miejscu przez pierścienie pozycjonujące 1, 8, 9 i 10. Ultradźwięki są generowane i sterowane przez powszechnie dostępne wyposażenie standardowe, które odpowiednio reguluje częstotliwość i natężenie ultradźwięków. Zainstalowane przetworniki są zdolne do pracy zarówno poniżej jak i powyżej progu natężenia kawitacji. Ogniwo jest ponadto wyposażone w środki służące do kontrolowania temperatury próbki oraz środki umożliwiające dostarczenie energii ultradźwięków w postaci ciągłej jak i impulsowej.

Monitorując sygnał hydrofonu możliwe jest regulowanie częstotliwości ultradźwięków wytwarzanych w urządzeniu z fig. 2 w taki sposób, aby odnaleźć i utrzymać odpowiednią częstotliwość rezonansową ultradźwięków. Szczególnie korzystnym obszarem jest obszar częstotliwości od 10 do 11 kHz.

P r z y k ł a d 1

Ten jak i następne przykłady mają za zadanie przedstawienie porównania procesów sonokrystalizacji próbek oleju trójglicerydowego w warunkach występowania i przy braku kawitacji przejściowej, oraz mają pokazać, że reakcje sonochemiczne wzbudzane kawitacją są związane z występowaniem zmian smaku.

W badaniu użyto ultradźwięków wygenerowanych przez powszechnie dostępną komercyjnie sondę Branson™. Podobnie jak większość przemysłowych sond ultradźwiękowych jej zadaniem jest produkcja wysokoenergetycznych pól przy stosunkowo niskiej częstotliwości tak, aby uważane za korzystne chmury bąbelków kawitacyjnych zostały wytworzone w materiale wystawionym na oddziaływanie ultradźwięków. Porcja energii dźwiękowej o wysokiej intensywności jest emitowana na częstotliwości około 20 kHz.

Rafinowany olej słonecznikowy został wystawiony na oddziaływanie ultradźwięków przy użyciu najniższej mocy wyjściowej 30 W urządzenia ultradźwiękowego, czas ekspozycji wahał się od 1 do 10 minut. Temperatura komory oddziaływania ultradźwięków była utrzymywana na stałym poziomie 20°C, próbki były mieszane ze stałą prędkością.

Aby wykryć oczekiwane zmiany wywołane reakcjami sonokrystalicznymi jako metodę pomiaru zastosowano spektroskopię masową, wyposażoną dodatkowo w organoleptyczne badania próbek oleju (patrz także - przykład 2).

Figura 3 przedstawia wykres badania z wykorzystaniem spektrografii masowej zarówno dla próbki oleju słonecznikowego poddanego oddziaływaniu ultradźwięków w warunkach kawitacji i porównania z próbkami nie poddawanymi sonokrystalizacji.

Kilka z pików w spektrum próbek wzbudzanych ultradźwiękowo zostało rozpoznanych przez naukowców posiadających umiejętności badania zmiany cech charakterystycznych olejów, jako znane składniki powodujące nieprzyjemny zapach. Zmiana parametrów konsumpcyjnych została ponadto zbadana przy użyciu sensorycznego testu panelowego (patrz także - przykład 2).

Podczas sprawdzania efektów zniekształcenia parametrów smakowych przez sonokrystalizację w przypadku oleju trójglicerydowego odkryto, że w funkcji natężenia dźwięku, częstotliwości, temperatury, obecności tlenu, zawartości wody, zanieczyszczenia metalami ciężkimi oraz warunkami prze10

PL 204 260 B1 chowywania, okazało się, że głównym powodem, dla którego powstaje nieprzyjemny zapach, było występowanie zjawiska kawitacji w czasie emisji ultradźwięków.

P r z y k ł a d 2

Prezentowany przykład obejmuje sonokrystalizację trójglicerydów przy braku jak i warunkach występowania kawitacji przejściowej i pokazuje odkrycia dokonane dzięki panelowi czujnikowemu, dotyczące powstawania nieprzyjemnego zapachu. Bezbarwny olej słonecznikowy został podzielony na cztery próbki A, B, C i D. Próbka B była jedyną próbką niepoddaną oddziaływaniu ultradźwięków.

A. Olej został poddany oddziaływaniu ultradźwięków tylko przez okres 3 minut przy użyciu powszechnie dostępnej sondy firmy Branson^TM, co oznacza powstawanie warunków kawitacji przejściowej.

C. Olej został poddany oddziaływaniu ultradźwięków w czasie jednej godziny w urządzeniu z fig. 2 przy natężeniu dźwięku w pobliż u progu kawitacji. Wystąpiła chwilowa kawitacja przejściowa.

D. Olej został poddany oddziaływaniu ultradźwięków przy intensywności, dla której nie zaobserwowano kawitacji przejściowej.

Występowanie kawitacji przejściowej było monitorowane z użyciem hydrofonu.

Każda z trzech próbek poddanych oddziaływaniu ultradźwięków została poddana grupie testowej (n=22) w celu oceny zapachu. Każdy członek grupy testowej otrzymywał kolejno każdą z trzech próbek wraz z nieprzetworzoną próbką B oleju słonecznikowego, bez podania informacji, która z próbek została poddana obróbce. Każdy członek grupy musiał odpowiedzieć na pytanie, czy wyczuwa różnicę pomiędzy obiema próbkami. Tabela I podsumowuje odpowiedzi członków grupy.

T a b e l a I

Oceny grupy testowej (n=22) dotyczące próbek oleju poddanego oddziaływaniu ultradźwięków
Próbka oleju słonecznikowego (SF)	Żadnej różnicy	Wątpliwość lub niewielka różnica	Oczywista różnica
Zwykły SF niepoddany oddziaływaniu ultradźwięków (1)
SF poddany oddziaływaniu ultradźwięków przez 3 minuty przy występowaniu zjawiska kawitacji (2)	0	0	22 (3)
SF poddawany oddziaływaniu ultradźwięków przez 1 godzinę przy okresowym występowaniu kawitacji przejściowej (2)	17	5	0
SF poddawany oddziaływaniu ultradźwięków przez 1 godzinę przy barku kawitacji (2)	19	3	0

(1) Użyto sondy ultradźwiękowej firmy Branson^TM (2) Użyto urządzenia z fig. 2 (3) Zapach oceniono jako: metaliczny, rybny, nieprzyjemny

Eksperyment pokazał w sposób oczywisty, że nienasycony olej, taki jak olej słonecznikowy, może być poddawany obróbce z wykorzystaniem ultradźwięków bez zasadniczej zmiany zapachu i smaku.

P r z y k ł a d 3

Sonokrystalizacja przy braku kawitacji przejściowej.

Ten przykład pokazuje, że w przeciwieństwie do powszechnej opinii możliwe jest występowanie sononukleacji także w warunkach braku krystalizacji przejściowej.

Tym razem wybrane częstotliwości zawierały się w zakresie MHz, który jest typowym zakresem do zastosowań medycznych (patrz fig. 1).

Mieszanina 12% uwodorowiony olej palmowy rozpuszczonego w 88% oleju słonecznikowego w temperaturze 60°C została podzielona na dwie próbki (a) oraz (b). Obie próbki zostały wprowadzone do komory ultradźwiękowej według fig. 2 i w sposób ciągły poddane wychładzaniu. Dla temperatur poniżej 45°C próbka (b) została wystawiona na oddziaływanie ciągłej fali ultradźwięków o częstotliwości 1,5 MHz i natężeniu 1,5W/cm². Próbka (a) została poddana takiemu samemu wychładzaniu ale nie została poddana oddziaływaniu ultradźwięków. Fig. 4 pokazuje wykres temperatury dla obu próbek w czasie okresu wychładzania. Po 50 minutach wychładzania w próbce (b) wystąpił gwałtowny wzrost temperatury, co jest przypisywane uwolnieniu ciepła krystalizacji w procesie krystalizacji tłuszczu.

PL 204 260 B1

Dziesięć minut po wystąpieniu tego szczytu, próbka była mętna od kryształów tłuszczu. W tym samym czasie próbka (a) nie wykazywała jakichkolwiek objawów krystalizacji tłuszczu.

Poddanie oddziaływaniu ultradźwięków było monitorowane z użyciem hydrofonu, który wykazał (fig. 5) pojedynczy pik 1,5 MHz częstotliwości ultradźwięku, co oznacza, że nie wystąpiło zjawisko kawitacji przejściowej.

Wartość indeksu mechanicznego MI wynosiła 0,09, co jest wartością znacznie poniżej progu występowania kawitacji przejściowej, wynoszącej 0,7, co świadczy o braku kawitacji.

Figura 6 przedstawia w przeciwieństwie do fig. 5 widok hydrofonowy oddziaływania ultradźwięków o dużym natężeniu, w sytuacji, gdy próg kawitacji został przekroczony. Obecność kawitacji przejściowej jest wyraźna i przejawia się obecnością wielu sygnałów sub-harmonicznych.

P r z y k ł a d 4

Frakcjonowanie tłuszczu przy użyciu ultradźwięków.

Tłuszcz mleka (AMF, bezwodny tłuszcz mleka) został pozyskany z firmy Croman. Tłuszcz został stopiony, przy ciągłym mieszaniu (50 obr./min.) był utrzymywany w temperaturze 65°C przez okres 1 godziny, aby zapewnić cał kowite stopnienie i uniknąć tak zwanego efektu pami ę ciowego. Nastę pnie tłuszcz został wychłodzony do temperatury 40°C w czasie jednej godziny, a następnie do temperatury 33°C z szybkością 5°C/h. Dopiero po osiągnięciu temperatury końcowej próbkę przesyconą poddano oddziaływaniu ultradźwięków (65 kHz, 30 dB) przez 15 minut przy braku kawitacji przejściowej. Następnie próbkę przetrzymano przez noc w temperaturze 33°C bez mieszania, umożliwiając zakończenie procesu krystalizacji. Kryształy zostały następnie odfiltrowane próżniowo (filtr ceramiczny numer 3) w czasie około 30 minut, a następnie poddane zostały wytłaczaniu. Nacisk był stopniowo zwiększany do 12 barów w okresie 60 minut.

Odwodniony tłuszcz mleka (AMF) powszechnie poddawany jest frakcjonowaniu suchemu przy efektywności rozdzielenia sięgającej 60%. Tabela II pokazuje że zastosowanie ultradźwięków zwiększyło efektywność rozdzielania do 80%, co jest znaczącym wzrostem względem próbek kontrolnych. Hydrofon w żadnym momencie nie wykazał wystąpienia kawitacji przejściowej. Własności smakowe wykrystalizowanego tłuszczu nie uległy zmianie.

T a b e l a II

Próbka	Zawartość cząstek stałych %	Odfiltrowane cząstki stałe %	Wytłoczone cząstki stałe % (12 bar)
Próbka kontrolna 1	8,7	18,7	60,7
Próbka kontrolna 2	9,1	22,1	60,8
15 min w temperaturze 33°C próbka 1	7,1	18,7	78,8
15 min w temperaturze 33°C próbka 2	8,1	21,0	82,3

Eksperyment został powtórzony dla innych natężeń ultradźwięków, niemniej za każdym razem przy braku kawitacji przejściowej. Optymalne natężenie sonokrystalizacji pojawiło się tuż poniżej progu kawitacji.

Ultradźwięki miały znaczny wpływ na wielkość, kształt i rozkład kryształów. Tekstury uzyskanych frakcji tłuszczu znacznie różniły się od siebie jak również od próbek nie poddawanych oddziaływaniu ultradźwięków. Ten przykład dowodzi, że kinetyka i struktura kryształów tłuszczu mogą być w znacznym stopniu zmieniane przez wystawienie na oddziaływanie ultradźwięku w warunkach braku kawitacji przejściowej.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób prowadzenia krystalizacji fazy stałej z ciekłego oleju triglicerydowego, w którym ciekły olej triglicerydowy poddaje się oddziaływaniu ultradźwięków i dobiera się czas oddziaływania ultradźwięków i częstotliwość w zależności od rodzaju stosowanej cieczy, znamienny tym, że nie dopuszcza się do powstawania zjawiska kawitacji przejściowej dobierając wystarczająco długi czas oddziaływania i dobierając częstotliwość wystarczającą do wzbudzenia nukleacji stabilnych kryształów w ciekłym oleju triglicerydowym, przy czym natężenie ultradźwięków dobiera się na tak niskim poziomie, że hydrofon wykrywający dźwięki emitowane przez wystawiony na oddziaływanie ultradźwięków ciekły olej triglicerydowy pokazuje wzorzec pozbawiony sygnałów szerokopasmowego szumu kawitacyjnego.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że natężenie ultradźwięków dobiera się na tak niskim poziomie, że hydrofon wykrywający dźwięki emitowane z oleju triglicerydowego wystawionego na oddziaływanie ultradźwięków pokazuje sygnał odpowiadający głównej częstotliwości oraz kolejne sygnały odpowiadające pierwszej częstotliwości sub-harmonicznej, dla której współczynnik natężenia dalszego sygnału do sygnału głównego wynosi < 0,5.
3. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że natężenie ultradźwięku dobiera się na tak niskim poziomie, że hydrofon wykrywający dźwięk emitowany z ciekłego oleju triglicerydowego wystawionego na oddziaływanie ultradźwięku pokazuje pojedynczy sygnał odpowiadający głównej częstotliwości przy braku dodatkowych sygnałów odpowiadających częstotliwościom sub-harmonicznym.
4. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że stosuje się system generowania ultradźwięku, dla którego współczynnik mechaniczny (MI) wynosi < 0,7, gdzie

MI = (pneg [MPa>/7 f [MHz] oraz gdzie pNEG[Mpa] jest amplitudą ciśnienia akustycznego pola ultradźwiękowego (amplitudą ciśnienia), a f [MHz] jest częstotliwością fali ultradźwiękowej.
5. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że ciekły olej triglicerydowy jest olejem triglicerydowym pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego lub mieszaniną olejów obu tych gatunków.
6. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że ciekły olej triglicerydowy jest olejem roślinnym, który wybiera się z grupy zawierającej olej rzepakowy, olej palmowy, olej słonecznikowy, olej z orzeszków ziemnych, olej gorczyczny, olej szafranowy, olej sezamowy, olej kukurydziany, olej sojowy, olej bawełniany, olej lniany i olej z oliwek.
7. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że olej triglicerydowy jest upłynnionym tłuszczem mlecznym.
8. Sposób frakcjonowania oleju triglicerydowego, w którym tłuszcz triglicerydowy znajdujący się w stanie stałym, podgrzewa się aż do chwili, w której w oleju nie występuje tłuszcz triglicerydowy w stanie stałym, następnie olej triglicerydowy wychładza się i poddaje krystalizacji dającej frakcję stearyny stałej i frakcji oleiny płynnej, a następnie wydobywa się frakcję stearyny przez oddzielenie jej od frakcji oleiny, znamienny tym, że w czasie trwania wychładzania i krystalizacji olej wystawia się na oddziaływanie ultradźwięków przy braku kawitacji przejściowej.
9. Sposób przygotowania pasty do smarowania na bazie emulsji tłuszczu ciągłego, w którym miesza się płynną fazę tłuszczu niezawierającą tłuszczów stałych i fazy wodnej do uzyskania emulsji wodno-olejowej, a następnie wychładza się i poddaje emulsję obróbce dla uzyskania częściowej krystalizacji tłuszczu, aż do chwili uzyskania żądanej konsystencji i tekstury, znamienny tym, że w czasie krystalizacji tłuszczu emulsję wystawia się na oddziaływanie ultradźwięków przy braku kawitacji przejściowej.
10. Sposób przygotowywania pasty do smarowania na bazie emulsji wodno-oleistej, w którym przygotowuje się emulsję wodno-oleistą zawierającą rozproszoną fazę wodną, zawierającą rozproszony w pełni ciekły tłuszcz, wychładza się emulsję z częściową krystalizacją tłuszczu, tak że uzyskuje się rozproszony częściowo wykrystalizowany tłuszcz w jednorodnej fazie wodnej, następnie przekształca się emulsję wodno-oleistą na emulsję zawierającą ciągły tłuszcz, a następnie obrabia się i wychładza rozproszoną emulsję zawierającą ciągły tłuszcz tak, aby wywołać dalszą częściową krystalizację tłuszczu, aż do uzyskania żądanej konsystencji i tekstury, znamienny tym, że w czasie krystalizacji tłuszczu emulsję wystawia się na oddziaływanie ultradźwięków przy braku kawitacji przejściowej.

PL 204 260 B1
11. Sposób przygotowywania pasty do smarowania na bazie emulsji wodno-oleistej, w którym przygotowuje się emulsję wodno-oleistą zawierającą ciągłą fazę wodną, zawierającą rozproszony w pełni ciekły tłuszcz i wychładza się uzyskaną zawiesinę tak, że uzyskuje się rozproszony, częściowo wykrystalizowany tłuszcz w jednorodnej fazie wodnej, następnie wychładza się i poddaje obróbce ciągłej emulsję tłuszczu dla uzyskania częściowej krystalizacji tłuszczu aż do uzyskania żądanej konsystencji i tekstury, znamienny tym, że w czasie krystalizacji tłuszczu emulsję wystawia się na oddziaływanie ultradźwięków przy braku kawitacji przejściowej.