基于撞擊流—射流空化效應的羥自由基制備工藝優(yōu)化

任曉敏黃永春楊 鋒黃承都

(1. 廣西科技大學生物與化學工程學院，廣西 柳州 545006；2. 廣西糖資源綠色加工重點實驗室，廣西 柳州 545006；3. 廣西高校糖資源加工重點實驗室, 廣西 柳州 545006)

作為一種新型的化工過程強化手段，水力空化具有空化場均勻、操作簡便、效率高等特點[1]，已被應用于化工、環(huán)保、生物和醫(yī)藥等領(lǐng)域[2]。在食品加工領(lǐng)域，利用水力空化強化糖液澄清[3]、殼聚糖降解[4-5]、蛋白質(zhì)變性[6-7]等研究也取得了階段性的成果，并呈現(xiàn)出很好的應用前景。

空化強化過程是基于液體中的空化泡潰滅時伴隨產(chǎn)生的高溫、高壓、強烈的沖擊波及高時速的微射流[8]，使介質(zhì)內(nèi)產(chǎn)生機械效應[9]、自由基效應[10]、熱效應[11]、光效應[12]。其中機械效應、羥自由基(·OH)效應是空化強化過程的主要原因[13]。強化過程中空化產(chǎn)生的機械效應的大小、自由基效應的大小以及兩者的相對份額，將直接影響到空化強化作用的大小，以及化學反應的途徑，從而影響到產(chǎn)物的分子結(jié)構(gòu)組成。因此，掌握空化的機械效應、自由基效應的強弱，是優(yōu)化和控制強化過程的基礎(chǔ)。

水力空化裝置主要有渦輪(渦流空化)、幾何孔板和文丘里管(射流空化)等[14]。目前，對水力空化自由基效應的研究僅限于幾何孔板和文丘里管等傳統(tǒng)空化裝置，而對于撞擊流-射流空化產(chǎn)生自由基效應的研究，鮮見報道。本試驗擬在前期研究的基礎(chǔ)上，選用強化作用較強的撞擊流—射流空化裝置為研究對象，考察操作條件對水介質(zhì)中自由基產(chǎn)量的影響，從而為探明水力空化對食品加工過程的強化機理以及過程調(diào)控機制提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 主要試劑與儀器

亞甲基藍(MB)：分析純，天津市南科密歐化學試劑有限公司；

紫外—可見分光光度計：Cary 60型，美國 Agilent Technologies公司。

1.2 試驗裝置

撞擊流—射流空化裝置由溶液貯箱、泵、真空壓力表、空化裝置部件(可以替換為撞擊流結(jié)構(gòu)、文丘里管結(jié)構(gòu)及撞擊流-文丘里管組合結(jié)構(gòu))、閥門、輔助管道、夾套冷卻貯箱等組成(圖1)。通過調(diào)節(jié)管路中的閥門，控制管路的流量以及撞擊流-射流空化裝置的入口壓力。

1. 溶液貯箱 2. 泵 3、5. 真空壓力表 4. 空化反應器 6. 溫度計 7. 夾套冷卻貯箱 V1、V2、V3. 閥門

圖1 水力空化裝置示意圖

Figure 1 Abridged general view of cavitation equipment

撞擊流部件、射流空化器及撞擊流—射流空化器組合部件剖面圖見圖2。

1.3 羥自由基的檢測

空化過程中空化泡潰滅釋放的能量能夠使溶液中的水分子O—H鍵斷裂，分解為·OH和·H[16]，亞甲基藍(MB)與·OH反應生成穩(wěn)定的MB—OH[12]，反應式為：

本試驗采用MB作為·OH捕捉劑，測定空化前后MB溶液吸光度(A)，根據(jù)Beer-Lambert定律得出相應的MB溶液濃度(CMB)，計算得出空化產(chǎn)生的·OH濃度(C·OH)。

(1) 吸收波長的確定：利用紫外-可見分光光度計對已知濃度的MB溶液進行全波掃描，最大吸光度對應的波長即為本試驗分析采用的波長。

(2) 標準曲線的建立：改變MB溶液濃度，測定其吸光度(A)，建立MB溶液濃度與其吸光度(A)的標準曲線。

1.4 單因素試驗設計

M.溶液為18 μmol/L時，對·OH的捕捉效果最佳[15]，故本試驗中所用MB溶液初始濃度均配制為18 μmol/L。分別對撞擊流、射流空化、撞擊流—射流空化進行單因素試驗。在空化處理過程中，調(diào)節(jié)冷卻水流量，使溶液的溫度維持在試驗所需的設定值。

圖2 空化裝置部件剖面圖

(1) 上游壓力：固定MB溶液18 μmol/L、體積3.5 L，溶液溫度40 ℃，空化時間60 min，試驗中選取上游壓力為0.20，0.25，0.30，0.35，0.40，0.50，0.60 MPa 7個水平進行試驗(撞擊流結(jié)構(gòu)壓力最大只能達到0.35 MPa，因此試驗中單獨的撞擊流壓力分別取0.20，0.25，0.30，0.35 MPa)，通過測定吸光度的變化，并計算·OH 濃度，探究上游壓力對·OH 產(chǎn)量的影響。

(2) 溶液溫度：固定MB溶液18 μmol/L、體積3.5 L，上游壓力0.40 MPa，空化時間60 min，選取溶液溫度為30，35，40，45，50，60，70 ℃ 7個水平進行試驗，通過測定吸光度的變化，并計算·OH 濃度，探究溶液溫度對·OH產(chǎn)量的影響。

(3) 空化時間：固定MB溶液18 μmol/L、體積3.5 L，上游壓力0.40 MPa，溶液溫度40 ℃，選取空化時間為5，15，30，45，60，75 min 6個水平進行試驗，通過測定吸光度的變化，并計算·OH 濃度，探究空化時間對·OH產(chǎn)量的影響。

1.5 響應面法優(yōu)化試驗設計

以空化時間、上游壓力、溶液溫度為考察因素，在單因素試驗基礎(chǔ)上，以·OH濃度為響應值進行響應面法優(yōu)化試驗。

2 結(jié)果與討論

2.1 吸收波長的確定

用紫外—分光光度計對已知濃度的MB溶液進行全波掃描，得到亞甲基藍的紫外-可見吸收光譜見圖3。發(fā)現(xiàn)MB溶液在波長664 nm處有最大吸光度，因此測定的波長取664 nm。

圖3 不同濃度亞甲基藍的紫外-可見吸收光譜

2.2 標準曲線的建立

M.溶液濃度與吸光度(A)的關(guān)系見圖4。

圖4 標準工作曲線

由圖4可見，MB溶液濃度在8～24 μmol/L時與吸光度(A)呈良好的線性關(guān)系，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)擬合得線性方程：A=0.067 17CMB+0.091，R2=0.999 46。

由式(1)可得空化產(chǎn)生的·OH濃度為：

(1)

式中：

C·OH——·OH濃度，μmol/L；

CMB1、CMB2——空化處理前、空化處理后MB濃度，μmol/L；

A1、A2——空化處理前、空化處理后吸光度。

2.3 上游壓力對羥自由基產(chǎn)量的影響

上游壓力與·OH濃度的關(guān)系見圖5。圖5表明，在上游壓力為0.2～0.4 MPa時·OH產(chǎn)量逐漸增大，射流空化、撞擊流-射流空化均在壓力為0.4 MPa時達到最大值，·OH產(chǎn)量高低的順序為：撞擊流—射流空化>射流空化>撞擊流。一方面，在一定范圍內(nèi)增大入口壓力，液體流速加快，撞擊流兩噴嘴的射流在同一軸線上會迅速撞擊，軸向速度轉(zhuǎn)變?yōu)槊}動速度，形成一個高度湍動的撞擊區(qū)[16]，產(chǎn)生相當強烈的壓力波動、剪切力、湍動能，有利于自由基的產(chǎn)生；另一方面，隨著入口壓力的增大，液體流速加快，空化數(shù)[17]減小，空化效應增強，產(chǎn)生·OH量均隨之增大。對于撞擊流—射流空化、射流空化而言，繼續(xù)增大壓力，文丘里管的射流區(qū)域擴大，液體在腔壁的位置形成強烈的擾動，形成極其復雜的空化流場，增大了流體與管壁、氣泡與管壁、氣泡與流體之間的摩擦阻力[18]；并且隨著入口壓力增加，液體流速增加，產(chǎn)生大量微氣泡并極易形成大氣泡，隨著溶液流動但不潰滅，反而減弱了空化的效果[19]，使壓力在0.5～0.6 MPa時·OH產(chǎn)量降低。在不同的上游壓力條件下，下游壓力均與環(huán)境壓力基本相同(稍高于環(huán)境壓力)。

圖5 上游壓力對·OH濃度的影響

2.4 溶液溫度對羥自由基產(chǎn)量的影響

溶液溫度與·OH濃度的關(guān)系見圖6。由圖6可知，撞擊流、射流空化及撞擊流—射流空化·OH 產(chǎn)量均在40 ℃附近最高，相同溫度下·OH產(chǎn)量高低的順序為：撞擊流—射流空化>射流空化>撞擊流。適當升高溫度，溶液飽和蒸氣壓(PV)增大，減少了與大氣壓的差距，空化數(shù)減小，易于氣核的產(chǎn)生與長大，有利于空化的發(fā)生[20]；當溫度升高到40 ℃，再繼續(xù)升高MB溶液溫度，飽和蒸氣壓繼續(xù)增大，易于汽化的發(fā)生，氣泡匯集形成氣體，不利于空化的發(fā)生，在溶液溫度50～70 ℃時，·OH產(chǎn)量降低。試驗過程中發(fā)現(xiàn)，由于處理過程泵對溶液做功，會使溶液溫度以平均0.4～0.5 ℃/min的速度提高，因此通過調(diào)節(jié)冷卻水的流量穩(wěn)定溫度在試驗所需的設定值。

圖6 溶液溫度對·OH濃度的影響

2.5 空化時間對羥自由基產(chǎn)量的影響

空化時間與·OH濃度的關(guān)系見圖7。

圖7 空化時間對·OH濃度的影響

Figure 7 Relationship between concentrations of ·OH and hydrodynamic cavitation time

由圖7可知，在空化時間0～5 min時，隨著空化處理時間的延長，MB溶液循環(huán)通過撞擊流、射流空化及撞擊流-射流空化裝置的空化次數(shù)或撞擊次數(shù)均不斷增加，·OH迅速生成。5 min 之后，溶液中已存在的·OH會抑制·OH的生成，因此·OH產(chǎn)生的速度逐漸變慢。相同時間時，·OH產(chǎn)量高低的順序為：撞擊流—射流空化>射流空化>撞擊流。

2.6 響應面優(yōu)化

2.6.1 試驗設計 根據(jù)單因素試驗結(jié)果，確定各因子及水平編碼見表1。

表1 Box-Behnken試驗設計因素水平及編碼

為探討因素間的交互作用及其最佳條件，綜合上述單因素對撞擊流—射流空化·OH產(chǎn)量的影響結(jié)果，根據(jù)Box-Behnken設計原理，進行響應面優(yōu)化試驗，試驗設計及結(jié)果見表2。

2.6.2 模型建立及顯著性分析 通過對表2中數(shù)據(jù)進行回歸擬合，得到·OH濃度(Y)與各因子之間的回歸方程：

Y=1.02+0.086A+0.038B+0.014C+7.042E-003AB-0.031AC-0.040BC-0.037A2-0.063B2-0.24C2。

(2)

表2 BOX-Behnken試驗設計與結(jié)果

表3 回歸模型方差分析?

2.6.3 響應面交互作用分析 由于只有B和C的交互作用顯著，因此只分析B和C的交互作用，見圖8。

由圖8可知，在壓力為0.3～0.5 MPa時，·OH濃度逐漸增大，溫度為30～50 ℃時，·OH濃度先增大后減小，而且響應面坡度較陡，等高線呈橢圓狀，說明上游壓力和MB溶液溫度交互作用極顯著[21]。

2.6.4 最佳條件驗證 通過響應面分析，得到撞擊流—射流空化處理MB溶液的最佳條件為：空化時間60 min、上游壓力0.44 MPa、MB溶液溫度39.34 ℃，·OH濃度理論預測值為1.073 7 μmol/L。在此預測最佳條件下實驗3次，所得平均實際·OH濃度為1.067 4 μmol/L，接近理論預測值，說明利用響應面分析法優(yōu)化操作條件可信。

3 結(jié)論

撞擊流—射流結(jié)合后的空化效果明顯好于單獨撞擊流、單獨射流。空化時間對·OH產(chǎn)量影響極顯著，上游壓力和溶液溫度依次減小。在響應面優(yōu)化得出的最佳空化條件下·OH產(chǎn)量的理論值與試驗實際值基本一致，說明利用響應面分析法優(yōu)化操作條件可信。通過試驗可知，撞擊流—射流空化可有效強化化學反應過程，并且撞擊流—射流空化技術(shù)的設備操作簡單、運行穩(wěn)定可靠、易于實現(xiàn)工業(yè)化，可以作為化學反應過程強化的一種有效方法。同一最佳操作參數(shù)下的不同結(jié)構(gòu)空化器對·OH產(chǎn)量也存在影響，本試驗僅從操作參數(shù)優(yōu)化撞擊流—射流空化制備·OH，空化器結(jié)構(gòu)參數(shù)(入口角度、喉部長度、出口角度等)對·OH產(chǎn)量的影響，以及結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的交互作用都需要進一步探究。