Rational shape of the tank of a small-sized ultrasonic system for the intensification of extraction process

Abstract

Functional food products allow a person to maintain his/her health, as well as fully meet the physiological needs for energy and nutrients that the body uses to build cells, organs and tissues. Extraction is one of the most common methods used in the process of obtaining biologically active substances from plant or animal raw materials. Extraction efficiency can be increased by using intensifying methods used in the extraction process, such as ultrasound. The paper considers the design and features of mathematical description of ultrasonic systems for the intensification of the extraction process, the principle of operation of which is based on the use of piezoelectric ultrasonic radiators. A computer model of an ultrasonic system to intensify the extraction process with a tank of different shapes has been built using the COMSOL Multiphysics software package, taking into account the full set of geometric, physical, mechanical and electrical parameters. As a result, the frequency is determined at which the maximum amplitudes of oscillations of ultrasonic systems with a tank in the form of a horn are provided for intensifying the extraction process, which leads to the implementation of the most efficient resonant mode of operation of the system. The locations of the maximum acoustic pressure on the object of extraction in an ultrasonic system to intensify the extraction process in the manufacture of concentrated drinks for functional purposes are determined. Further research by the authors can be directed to the experimental studies of the horn-shaped ultrasonic system, as well as determining the most efficient tank geometry of the ultrasonic hornshaped tank system using the COMSOL Multiphysics application package.

Сьогодні популярнішими стають харчові продукти функціонального призначення, зокрема оздоровчого та профілактичного, з підвищеним вмістом вітамінів, мікроелементів, макроелементів, незамінних амінокислот та біологічно активних речовин. Такі продукти дають людині змогу зберігати своє здоров’я, а також повністю задовольнити фізіологічні потреби в енергії та харчових сполуках, якими користується організм для побудови клітин, органів і тканин. Екстракція – один з найбільш поширених методів, використовуваних у процесі отримання біологічно активних речовин з рослинної або тваринної сировини. Ефективність екстракції може бути збільшена, використовуючи інтенсифікуючі методи впливу, що застосовуються в процесі екстракції, наприклад ультразвук. В роботі розглянуто конструкцію резервуарів ультразвукових систем для збільшення акустичного тиску при інтенсифікації процесу екстракції, принцип дії яких базується на використанні п’єзоелектричних ультразвукових випромінювачів. Наукова новизна роботи полягає в удосконаленні комп’ютерної моделі ультразвукової системи для інтенсифікації процесу екстракції за допомогою пакета програм COMSOL Multiphysics, враховуючи повний набір геометричних, фізико-механічних та електричних параметрів. Практична цінність роботи полягає у визначенні раціональної форми резервуару ультразвукової системи та частоти, при якій забезпечуються максимальний акустичний тиск ультразвукової системи для інтенсифікації процесу екстракції, що приводить до реалізації найбільш ефективного резонансного режиму роботи системи. Отримані дані можуть бути використані при проектуванні пристроїв на основі ультразвукових випромінюючих систем для інтенсифікації процесу екстракції при виготовленні концентрованих напоїв функціонального призначення. Подальші дослідження авторів можуть бути спрямовані на експериментальні дослідження ультразвукової системи у формі рупора.