(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210824207.5 (22)申请日 2022.07.13 (71)申请人 南京农业大 学 地址 210095 江苏省南京市玄武区卫岗1号 (72)发明人 陶阳　 (74)专利代理 机构 重庆徽赫天连知识产权代理 事务所 (特殊普通合伙) 50303 专利代理师 张军 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 119/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种液态食品超声波加工过程中空化强度 的表征算法 (57)摘要 本发明属于食品加工技术领域， 具体涉及一 种液态食品超声波加工过程中空化强度的表征 算法， 通过以下步骤： 空化气泡的成长过程计算； 空化气泡内的温度和压力计算； 自由基 反应动力 学计算； 超声液体中H2O2浓度生成速率测定； 空 化气泡数量推算； 将空泡数、 空泡坍塌压力、 液体 处理体积和超声时间相乘， 建立累计空化强度， 从而更加准确的表征液态食品加工时超声空化 强度的物理量， 更加利于液态食品超声加工的装 备涉及和超声参数优化， 进一步满足生产的需 要。 权利要求书3页 说明书7页 附图9页 CN 115186492 A 2022.10.14 CN 115186492 A 1.一种液态食品超声波加工过程中空化强度的表征算法， 其特征在于： 具体包括以下 步骤： 步骤一： 计算空化气泡的成长过程； 步骤二： 计算空化气泡内的温度和压力； 步骤三： 对空化气泡内气体的自由基反应动力学进行计算； 步骤四： 对 超声场下 液态食品中H2O2浓度生成速率进行测定； 步骤五： 对空化气泡数量进行推算； 步骤六： 根据 单空泡的能力、 空化云中空泡数量、 超声时间、 液态食 品处理量， 建立累计 空化强度。 2.根据权利要求1所述的一种液态食品超声波加工过程中空化强度的表征算法， 其特 征在于： 所述步骤一中， 具体采用凯勒 ‑米克西斯模型， 简述为Keller ‑Miksis方程， 其定量 描述了具有可压缩性和粘性的液态食品中球形 空化气泡径向动力学， 其中空泡动力学可以 采用如下公式表示： 其中， t为时间， 单位为分钟或微秒； R为空泡半径， 单位为 μm； R0初始空泡半径， 单位为 μ m； pv为空化泡内水蒸汽分压， 其中25℃时为3.17 ×103Pa； c为液态食品中声速， 数值为 1500m s‑1； ρw为水的密度， 数值为998kg  m‑3； ρ 为液体食品的密度， 数值为kg  m‑3； pstat为环境 静压， 单位为Pa； Ia为液态食品中的声强， 单位为W  m‑2； p1为泡液界面液体侧压力与环境压 差， 单位为Pa； pa为与声强相关的驱动压力， 单位为Pa， σ 为液态食品的表面张力， 单位为N  m ‑1； μ为液态食品的粘度， 单位为N  s m‑2； γ泡内气体的多方指数， 其中水蒸气为1.33， 氧气 为1.4。 最后利用四阶龙格 ‑库塔法在软件Matlab中数值 求解Keller‑Miksis方程。 3.根据权利要求2所述的一种液态食品超声波加工过程中空化强度的表征算法， 其特 征在于： 所述步骤二中， 在压缩过程中， 若空化气泡的半径R达到范德瓦尔斯硬核半径的阈 值R0/8.54时， 则认定为空化气泡崩塌， 此时根据绝热定律， 绝热阶段的空化气泡内的温度K 和压力Pa则可表示 为： 其中Pbubble为空泡内压力Pa， k 为空泡内物质的数量， Tbubble为气泡内温度K。 4.根据权利要求3所述的一种液态食品超声波加工过程中空化强度的表征算法， 其特 征在于： 所述步骤三中， 反应的计算始于绝热阶段的开始， 此时通过软件Matlab求解含有氧 气和水蒸气的空泡内化学反应， 通过化学动力学模拟， 计算出在任何温度下气泡内物质的 物质量， 其中气泡内物质包括O2、 H2O、·OH、 H·、 O、 HO2·、 H2和H2O2， 且在化学反应动力学计权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115186492 A 2算中， 第三体反应物为O2， 具体的计算 步骤包括： 步骤A， 根据化学动力学理论给 出含有K个自由基的可逆反应速率的表达式： 步骤B， 通过 下述公式计算 步骤A中给定物质Xk的生产速率： 进一步的ri中kfi和kri采用阿伦尼乌斯形式来表示： 上述计算公式中， v ′ki为第i个反应的正化学计量系数； v ″ki为第i个反应的反化学计量 系数； wk为第k个物质的关于时间的生产速率， 单位为mol  s‑1； Xk为第k种物质的化学符号； [Xk]为第k种物质的摩尔浓度， 单位为molL‑1； ri为第i个反应中k物质的反应速率， 单位为 mol s‑1； kfi为第i个反应的正反应速率常数， 其中两种底物反应的单位为cm3mol‑1s‑1， 三种 底物反应的单位为cm6mol‑2s‑1； kri为第i个反应的逆反应速率常数， 其中两种反应底物 反应 的单位为cm3mol‑1s‑1， 三种物质的反应为cm6mol‑2s‑1； Afi和Ari分别为kfi和kri的指前因子其 中两种底物反应的单位为cm3mol‑1s‑1， 三种底物反应的单位为cm6mol‑2s‑1； Ea,fi为kfi中第i 个反应中正反应活化能， 单位为cal  mol‑1； Ea,ri为kri中第i个反应中逆反应的活化能， 单位 为cal mol‑1。 气泡内所有物质的生成速率以对应方程表示， 然后将正反应速率常数和逆反应速率常 数带入前述对应方程内， 即可得到每种化学物质的具体反应速率表达式， 当气泡达到最大 尺寸Rmax时开始模拟自由基反应动力学， 并在计算自由基之前， 用溶氧仪测得25℃条件 下已 饱和液态食品溶解氧含量为8.15 ±0.60mg L‑1， 对于25℃含饱和O2和水蒸气的空泡， 气泡内 的初始气体O2压力用如下公式表示： 再根据理想气体定律pV＝ nRgT,， 用如下公式表示空泡中O2和水蒸气的初始摩尔数： 其中， 为饱和O2/水蒸气空泡中氧气的初始压力Pa； 为空泡中氧气的初 始摩尔 数mol； 为空泡中水蒸气的初始摩尔数mol； Rg为通用气体常数8.314J  mol‑1K‑1； V0为 空泡的初始体积 μm3； T0为空泡内的初始温度K。 以O2作为第三体反应物的Af或Ar值需要通过乘以一个系数来修正化学反应， 然后通过 求解每种化学物质的具体反应速率表达式的方程， 结合空泡温度、 压力和半径分布， 得出绝权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115186492 A 3