水力空化在食品加工和水处理工业的应用

1、水力空化在食品加工和水处理中的应用Parag R.Gogate摘要水力空化，长期以来被认为是流体系统的一个不易解决的问题，当用于强化各种物理和化学处理应用时，可以作为超声空化的替换方法，是超声空化的强劲竞争对手。水利空化产生热点，高活性自由基，与流体回路流量相关的扰动，可以用于强化各种物理 /化学变化处理应用。目前的工作聚焦水力空化的各个方面，包括基本原理、基于空泡动力学分析的选择运行参数最优组合的建议、反应器设计和食品加工和水处理工业各方面应用的综述。本文重点讲解了水力空化在食品消毒、微生物细胞破碎释放酶、水消毒和水处理方面的应用。使用水力空化处理也能取得超声空化处理相同的效果，能量效率比超

2、声空化高，但是处理规模比超声空化的要大。Keywords 水力空化 . 食品消毒 .微生物细胞破碎 .水消毒 .水处理 . 过程强化前言空化现象包括空泡的产生、发展和溃灭过程，空穴在极短的时间间隔（百万分之一秒）力不断的出现、消失，释放大量的能量，产生非常高的局部能量密度（单位体积释放的能量）和高温（ 1000-10000K）高压（ 100-5000bar），这个现象通过在空化器 (Suslick 1990内对数百万个点进行测量证实。空化现象产生高活性自由基，能够用于清洗。而且空化对流体的扰动作用，增加固体催化剂的比表面积，增大系统的质量传递比率(Mason and Lorimer 1988;

3、Luche 1999。空化根据产生方式可以分为四类：声空化、水力空化、光空话和微粒空化。但是只有水力空化和声空化开发应用于工程中产生物理 /化学上的变化，而光空化和微粒空化通常只适用于单空泡空化，不能使本体溶液产生任何物理 /化学的变化。超声 (声空化的特殊效用已经成功应用于物理/化学处理工程和生物工业 (Povey andMason 1998; Mason and Lorimer 2002。如本文所述，应用于木瓜 (Fernandez et al. 2008和其他热带水果脱水 (Fernandez et al. 2010、水果汁加工 (Tiwari et al. 2009 和微生物灭活（杀菌

4、消毒） (Walkling-Ribeiro et al.2009。水力循环系统中也较易发生相似的空化现象，因为机械设备腐蚀问题，设计师对水力设备的空化采取谨慎的态度，并作出努力去理解空化以抑制空化达到防止空化冲蚀设备的接触表面(Chatterjee and Arakeri 1997。而且，精密设计的系统允许产生如声空化一样的空泡破裂工况，从而不同的应用需要不同的空化强度，而声空化已经能够做到这一点，而且相对于声化学反应器而言输入能量较小 (Moholkar et al. 1999;Gogate et al. 2001。最近十年来，全球的一些学者重点研究水力空化产生物理/化学变化的特殊反应机理

5、(Gogate and Pandit2001。当前工作的重点是突出水力空化的各个方面，包括运行参数优化理论，空化器的设计和在对现有文献详细分析基础上撰写的空化在食物加工和水处理工程应用的综述。水力空化的产生水力空化在使用类似孔板、文丘里管或者喉管等收缩管的流体系统中容易产生 (Gogate and Pandit 2001。流体压力与速度之间的关系可以用伯努利描述，如图 1 所示的颈缩管中，根据伯努利方程，流体动能因流体压头下降而有所增加，且如果在颈缩管喉部位置能够充分满足压力低于产生空化的临界压力（通常是工作温度下的饱和蒸汽压）时，就会产生空化，随后射流截面增大，平均流速减小，压力增大，导致空

6、泡破灭。在流体流经颈缩管时，流体与边界发生分离，由于该处湍流扰动的影响，压力必然下降，流体损失大量能量。在刚流过颈缩管时，也能产生高强度湍流，湍流强度（ Re）取决于压力幅值和压力回升值，同样也取决于颈缩管的几何结构和流体的流态即湍流度（ Re）(Moholkar and Pandit 1997;Gogate and Pandit 2000。湍流度对空化强度起关键作用，因此通过控制反应器的几何结构和操作条件，可以获得理想物理 /化学变化所需的空化强度，同时获得最大的能源效率。于是可以用一个无量纲数即空化数 (Cv 来表示流态与空化强度之间的关系。其中 P2 是未受扰流物体扰动影响的参考压强，P

7、v 是泡内压强即饱和蒸汽压， v0 是颈缩管处流体流速，空化初始阶段的空化数叫空化初生数 Cvi，理想情况空化初始时 Cvi=1，当 Cvi<1 时，空化效果显著。然而在空化数较大时（ Cvi=24），也会产生空化，这也可能是流体介质中溶解了一些气体或者杂质。 Yan 和 Thorpe (1990 发现 Cvi 是流体流道形状的函数，一般随着颈缩管或其他能够使流体流速变化的管道的尺寸的增加而增加。尽管空化可以在空化数较高的情况下产生，但是要使空化强度最大化，流动状态和几何结构的设计必须满足空化数在 0.11 之间，因为非常低的空化数可以导致流体系统产生超空化而出现气塞和无空泡溃灭现象。空

8、泡动力学分析广泛研究空泡动力学可以在水利系统对水力空化进行建模，这样可以更好理解空化整个过程以及优化操作参数和空化设备的几何结构。这不仅有利于空化强度最大化，而且可以使能源耗散最小化，降低运行成本。通常不同的空泡动力学方程如 RayleighPlesset方程都可以适用于解释声空化反应器（基于声空化的在食品加工和水处理工程已经广泛研究的空化器）的空泡行为，有些方程如 Tomita 和 Shima 方程 与 Gilmore 方程 (Gogate and Pandit 2000考虑流体介质的可压缩性都可以用于分析水力空化反应器的空泡行为。唯一的区别是脉动压力场存在于空化的不同阶段，接下来我们简要讨

9、论各种量化压力场的方法和对应的空泡动力学详细分析以及早期对于空化强度的定义(Moholkar 和 Pandit 1997, 2001a, b; Gogate和 Pandit 2000;Singhaletal.2002; Kanthale等人 2005; Arrojo 和 Benito 2008;Sharma 等人用类似的方法 2008。量化产生空化的颈缩管下游压力场的最简单方法之一就是假设下游压力场线性回升。 Yan 等人 (1988 也认为单个气泡是可以独立存在的，这个方法在湍流强度相当低的时候即对于文丘里管或者其他流道内表面光滑平稳的收缩管流体系统是合适的，从空化初始点到颈缩管下游任意位置

10、的流体压力回升可以近似的用关于收缩管下游任意位置到空化初始点的距离的线性函数表示，这种情况下获得的空泡临界半径轨迹表明空泡仅仅是动荡的（不会突然破裂），动荡产生的压力脉冲震级非常小。这个低震级的压力脉冲可能产生低强度的水力空化使流体产生物理 /化学变化。当湍流扰动强度增加或者压力回升不再是线性函数时，尤其是在收缩管是锐孔管时， Yan 等人 (1988 的方法不在适用。这种情况下空泡与流体介质一起流向收缩管下游时，局部压力明显变化。/空穴考虑湍流影响来量化压力场是一个更实际的方法(Moholkar and Pandit1997;Gogate and Pandit 2000，对于管道流动，湍流压

11、力变化是由于流速扰动形成漩涡而引起的，瞬时湍流速度可以通过假设瞬时湍流速度按正弦函数改变来计算，如下：其中 V t 是局部平均速度，fT 是湍流频率。V tn 是速度关于时间t 的积分函数，速度波动量和湍流频率可以通过涡流长度和单位质量的能耗进行计算(Gogate and Pandit 2000。瞬时流速用于计算瞬时局部静压力，联合伯努利方程计算有：其中P 味流体流经颈缩管时的压力降，P是一个变量，用于求解RayleighPlesset方程。模拟湍流影响情况下的空泡行为所得到的临界半径轨迹表明空泡 / 空穴的尺寸可以增加，通过上百万次的空泡成长观察表明，湍流状况下快跑的临界半径比稳流时大 10

12、0%。也可以表明空泡破裂时，压力脉冲变化很大（空穴不会像前面的情况一样震荡而是溃灭），这个重要结果在湍流状态下的空泡存在周期是瞬时的。这与超声空化的空穴是一样的。湍流影响所产生的稳定到瞬时的空化表明：如果能够控制流体湍流强度，水力空化设备可以通过相对简单的方式产生与超声设备相同的空化状况。这一结论在操作人员能够比较水力空化和超声空化的金属侵蚀率的前提下已经得到了论证。为了获得相同的金属侵蚀率，空泡溃灭所产生的压力波动必须相同，这只有瞬时空化可以做到，稳定气蚀和振荡气蚀都达不到这个条件。(Moholkar and Pandit 1997, 2001a,空泡动力学分析的一个主要用途是理解溃灭压力、

13、温度、空化结束时所产生的自由基数量对操作参数和水力空化反应器结构的依赖程度（相关性）。空泡动力学研究有助于得到如何选择最优参数组合的建议。对空化反应器的空泡动力学详细分析讨论本文不作论述，读者可以参考早期的相关文献b;Gogate and Pandit 2000;Kanthaleetal. 2005;Arrojoand Benito 2008进行深入探索。目前，有关操作参数的最优组合的选择建议已经总结出来 (Table 1。液相的物理化学性质也会对空化产生显著影响。因此介质必须是流体，工况以有利于空化产生或者空泡初始半径尺寸越小使其有更大的增长范围和剧烈破裂和更佳剧烈的空化现象为佳。一些关于液

14、相物理化学性质选择的注意事项见表2.Table 1 Optimum operating conditions for the hydrodynamic cavitation reactorsNumPropertyber1Inlet pressure into the system/rotor speed depending on the type of equipmentFavourable conditionsUse increased pressures or rotor speed but avoid super-cavitation by operating below a certa

15、in optimum value2Diameter of the constriction used for generation of cavities, e.g. hole on the orifice plateOptimisation needs to be carried out depending on the application. Higher diameters are recommended for applications which require intense cavitation, whereas lower diameters with large numbe

16、r of holes should be selected for applications with reduced intensity3Percentage free area offered for the flow (ratio of the free area available for the flow, i.e. cross-sectional area of holes on the orifice plate to the total cross-sectional area of theLower free areas must be used for producing

17、high intensities of cavitation and hence the desired beneficial effectspipe水力空化设备的配置选择一个最佳的水力空化设备配置使得空化效应最大化实现经济高效运作永远都是重要的。在本节，我们将讨论如何实现设备的合理配置以及提出按照局部压力 /温度或者自由基数目对应的空化强度合理有效选择配置的建议。高压均质器水力空化的常用设备之一是高压均质器。高压均质器是一个高压容积泵与一个喉管设备配套使用，根据高压溢流阀的原理操作。经过泵压缩的高压流体流经收缩管时，压力能转化为流体的动能。在动能非常大时，流体的压力下降，当流体压力低于介质的

18、饱和蒸汽压时产生空化现象。高压均质器调压范围在 50atm - 300atm 之间。通常一个高压均质器回路有一个贮水池和两个节流阀组成，设计采用 2 级均质来控制水力空化器的操作压力。当压力达到临界排放压力时空化初始阶段出现，当压力超过临界排放压力时，空化效果显著，当且不说空化高压均质器因为高速流体扰动和高速流体对器壁的冲击而形成的剪切作用。高压均质器尤其适用于食品的乳化工艺、制药和生物工程。所有高压均质器的共同缺点是不能精确控制空化量和空化结束时产生的压力脉冲的大小（空化强度），除非阀体设计发生本质改变。高速均质器空化也可以在旋转设备中产生。当旋转设备的瞬时最大速度达到临界速度时，叶轮边缘附

19、近的局部压力低于或者等于流体饱和蒸汽压，这时就会产生蒸汽空穴，随后液体从叶片上甩向叶轮边缘，流速减小流体压力回升，十六题夹带的空泡破裂。同样类似于高压均质器，反应器在空化初始阶段也存在临界旋转速度 (Kumar and Pandit 1999; Shirgaonkar et al. 1998。应当指出的是高速均质器的能耗更高，与孔板结构或者文丘里管结构等低压空化设备相比，高压均质器的设计参数的灵活性较小。设备旋转速度在 4000rpm-20000rpm 之间变化，高压均质器由一个定子 转子结构装配而成，一般高压均质器选用不锈钢材料制造最好，需要保证定子和转子结构转动灵活。定子与带孔挡板联接以避

20、免涡流和气体倒灌进入叶轮导致部分液体表面曝气，并且可以通过改变电机输入电压的方式来调节高速均质器的转速。低压水力空化器在这种类型的空化器中，流体沿着管道轴线流经收缩管，在流体流到扩散管位置时，流体因流道截面增大，压强减小，流速突然增加，当压强减小至流体介质的饱和蒸汽压时产生空化现象。图3 是这种类型反应器的流动循环的原理示意图，收缩管可以用文丘里管、单孔管板或者多孔管板，多孔管板的孔数、直径以及孔的布局组合在图4 中表明，这个组合有利于获得不同的空化强度和不同的空化数量。因此这种反应器的操作条件（入口压力、入口流量和温度的调节）和几何条件（多孔管板采用不同的组合）具有巨大的柔性空间。根据应用和

21、要求的不同，水力空化反应器选择几何参数和操作参数以实现最小能量耗散情况下的空化效应最大化。例如，细胞破裂需要温和强度的空化，因为细胞壁强度不同，混合培养微生物所需进行的微生物降解需要高强度的空化。Sampathkumar和 Moholkar (2007提出一种新的水力空化反应器设计概念，他提出使用缩扩喷嘴达到空泡运动所需的压力脉冲，而不像前面讨论过的孔板一样。空泡或者气核在喷嘴的上游用分布器涌入流体中，不同的气体可以形成不同的空泡，并且气体分布器（通常是玻璃熔块）的尺寸、气体的流量以及气罐的压强易于调节，可以通过调节这些因数来调节空泡气核和气穴的尺寸，获得最小尺寸的气核达到空化强度和净空化效益

22、的最大化。Sampathkumar and Moholkar(2007 论述了使用分布器可以产生温和强度的空化效果，并且满足工业要求，如微生物细胞破裂和食物消毒。结果表明使用缩扩喷嘴能形成瞬时的空泡运动，导致空泡运动剧烈，诱发生声化学现象。使用缩扩喷嘴在空泡破裂的瞬间所达到的最高温度比孔板的稍微低些，在2000K左右，而使用孔板所达到的最高温度在5000K左右。但是，缩扩喷嘴在要求空化强度可调的工程应用中有一定的缺陷，因为喷嘴的结构参数只有长度和直径可以变化，而使用孔板达到空化强度可调，可以通过改变孔板的孔数、尺寸和孔的布局来改变。激波反应器最近， Milly 等人（ 2007, 2008 论

23、证了激波反应器可以产生所需空化用于食物的巴氏杀菌和消毒。激波反应器是由固定外筒和转动内筒共同组成，内外筒之间的环形区域可以装液。当内筒转动时，产生空化现象，内筒表面有很多通孔，当内筒高速旋转时，带动环形区域的流体转动，流体流入环形区域的压力和流量可以通过使用一个旁路装置调节，旁路装置可以使流向反应器的流体流回储罐，而不会对空化造成干扰。内筒高速转动使流体流入内筒表面的通孔，流体因横截面积突然增加而膨胀，压力下降。当压力下降时，一部分流体汽化，与溶解在流体中汽化的空气共同形成空泡，产生空化。深入分析反应器的结构表明装置在内筒表面的孔的大小方面和通过环线区域的流体压力与流量的运行工况的选择是很灵活

24、的，但是装置似乎不能调节空化强度。当然，激波反应器可能由于流体的瞬时汽化而产生蒸汽气穴，而由于蒸汽空穴的破裂通常比气体空穴或者空隙空穴要低，为了降低能量耗散，空化强度较低为好(Vichare et al. 2000。液体哨反应器液体哨反应器是一个嵌入式均质设备，采用高压和空化能量在液流内部产生一个称为“喷气音”的物理现象。工艺流体受到极高的压力，当流经一个特别设计的唇形孔板和刀片时，流体受到剪切，形成涡流。涡流射向与原流体矢量垂直的方向，产生振荡，这样液流内部就产生了超声现象，使流体成泡。孔板和叶片之间的距离是可调的，并且通过在混合箱尾端连接一个背压阀就可以控制系统的入口压力。这类设备的流体回

25、路与前面讨论过的其中一个就是低压水力空化反应器相似，但是液体哨空化反应器的回路所产生的压强相对较高(Chand et al.2007。这个系统所采用的装置在控制空化活动方面有一定的局限性，因为空腔的尺寸或多或少被固定了，不能调节。通过上面关于各种各样的水力空化设备的讨论，很容易得到一个结论，那就是孔板装置的操作弹性最大，也可以用于相对大规模的场合。应当指出的是液体哨空化器的比例放大相对较易。处理规模扩大，反应器的参数（流量和电压）增加，泵的效率相应增加，必定会增加能量效率。当然，灵活选择空化箱（尺寸、数量、孔板数量和孔板组合）可以很好的控制系统产生的空化强度和达到相同空化效果的能量需求。对应用

26、于特殊用途的特定类型空化装置的选择给出一些建议是很必要的。 Moholkar and Pandit(2001a,b 已经尝试过解决这个问题，并研究了文丘里管和孔板这 2 种不同类型流体结构的空化流中的空泡在不同操作参数下的对比效果。在文丘里管的情况，大部分稳定的径向振荡空泡运动是因为压力按照线性梯度回复，然而由于湍流速度的波动而引起的额外振荡压力梯度，孔板情况的径向振荡空泡运动将出现稳定振荡和瞬时空泡行为。 而且，通过孔板的流体压力下降远比通过 文丘里管高。导致有大部分的能量可以用于空化。 因此，使用孔板的空化强度要高于文丘里管，因为孔板瞬时空化的作用。 这个模拟能够给出了研究水力空化反应器所

27、产生的空化强度的明朗趋势，这个模拟是操作参数 / 设计参数的函数，可以为水力空化反应器的优化打下基础。这个模型也可以为给定设计参数的空化反应器量化温度和压力脉冲，水力空化反应器设计的一些重要策略在下面给出：1. 孔板装置适用于要求剧烈空化工况，反之，温和空化过程和基于物理效应转变的场合， 文丘里管更适合，能量效率也高。2. 在文丘里管情况，增强空化强度的最经济方法是减小文丘里管的长度，但是对于体积流量很大的场合，因为有可能发生流体不稳定和超空化，最好不要选择文丘里管。对于文丘里管情况，增加空化强度也可以采用相似的办法，那就是减小文丘里管喉咙 - 管口部位的直径3. 对于孔板情况，调节空化强度的

28、最方便方法是调节孔 - 管直径和通过调节孔板的孔数和孔直径调节流体横截面积，虽然孔板下游的空泡无规则成长，也可能导致溅液和蒸发。4. 增加管板下游管的尺寸是另一个加强空化效果的方法，但是管径增大要求是在体积流量增大的场合，在相同空化数的情况下，必将增加过程费用。应用综述食品消毒水力空化产生物理压力是使细胞灭活的机理，因此水力空化反应器可以单独或者是联合其他传统的热处理方法进行食物消毒。使用水力空化反应器的优点是能耗低，且水力空化处理能达到低温杀菌和食品保鲜的效果。 Millyet 等人已经论述了空化反应器在流体食物消毒中的应用，包括应用于土豆汁、苹果汁、脱脂牛奶消毒。已经证实水力空化能够产生足

29、够大的压力，使细菌、酵母菌、酵母菌囊孢子、耐高温细菌的囊孢子灭活。常见的腐生菌比如乳酸菌和酵母菌在低温条件下也可以灭活，在空化和低温的协同作用下进行杀菌消毒。高酸流体食物的商业无菌具有很大的危险性，水力空化也具有一定的危险性，很大程度上是因为水力空化的加工温度（ 65.6 以上）适宜， SPR转子转速和 SPR滞留时间最大化而引起的食物出口温度升高。使用水力空化反应器的主要优点是食物消毒时操作温度低，因此流体食物如酸性果汁、色拉调料、和牛奶可以在低温条件下安全操作，加工出优质食物。最近， Milly 等人 (2008 也研究了激波反应器用于苹果汁中的酿酒酵母灭活工程。结果表明：与热处理方法进行

30、灭活相比较，用激波反应器在低温（ 65.6 - 76.7）条件下进行充分的空化处理，可以加强酿酒酵母灭活的效果。比较使用空化反应器处理和使用传统方法以及使用脉冲电场处理的能量耗散可以证明，空化处理的能量耗散明显低于其他 2 种（ 173 kJ/kg-215 kJ/kg -258 kJ/kg），而且在果汁加工业中采用水力空化进行杀菌灭活可以显著提高工程效率。已经证实了水力空化设备对于大企业可以很容易成套使用，反应器按照比例缩放，可以达到节能、高效的效果（ 55% - 84% ）。另一个食物消毒的方法是通过直接注入蒸汽（De Bonis and Ruocco 2010，如果注入的蒸汽刚好合适也能产

31、生水力空化。这个技术可以获得更大的功效，因水力空化产生的蒸汽和机械效应对微生物活动产生综合的热效应，而且因为注入蒸汽使过程的能量效率比通过改变流体流动和流体压力的水力空化获得的高（ Mahulkar 等人 (2008。 Mahulkar 等人 (2008 论述了直接往冷水里注入蒸汽可以有效产生空化，能量效率比传统的水力空化方法高。他们也论述了这种方法产生的空化现象从实验和数值上来看，这种方法产生的空泡破裂工况和水力空化产生的差不多。尽管这种方法看上去很令人期待，但是还需要进行大量的工作以弄明白它的其他应用。通过以上这些对流体食物加工的例子表明利用水力空化这种过程加工技术允许加工企业尽量不采用热

32、处理方法加工流体食物，而且可以延长如苹果汁等易变质食品的保鲜期。减小使用热处理方法，从而保证易变质食品的质量，用水力空化方法处理的调料是如今超市调料优质产品，在如今的超市里，养的产品引领消费趋势“新鲜挑选 ”和健康 /营微生物细胞破碎工业上重要微生物成分的经济生产的核心因素是一个高效大规模的细胞破碎工程 (Geciova 等人 2002; Harrison 2002。高效微生物细胞破碎技术的缺乏总是阻碍细胞内派生物的商业大规模生产。对于微生物细胞大范围破坏，可以采用如高速磨粒搅拌机和高压搅拌器等的机械粉碎机，但是这 2 种方法的能量效率都只在 5%-10% ，大部分的能量都以热能的方式耗散了，

33、而这些耗散的能量需要及时高效地带走以保持这些半成品的完整性。为了提高细胞破碎效率，最近 10 年人们对新技术开发包括超声空化和水力空化表现强烈的兴趣。 Harrison 和 Pandit (1992 第一个论述了在细胞破碎过程中使用带节流阀的水力空化器装置，通过调节节流阀控制流量而产生空化。紧接着， Shirgaonkar 等人 (1998 明确证明了高速搅拌器和高压搅拌器中释放大量的酶 /蛋白质的处理对空化效果的需求。Save 等人 (1994 使用通过调节节流阀控制流量产生空化的水力空化反应器破碎压缩酵母形式的面包酵母和啤酒酵母细胞，结果表明处理时间和流程的增加，细胞破碎和蛋白质释放的程度

34、相对增加。悬浮液中的细胞浓度对细胞破碎有明显影响，因为酵母菌的成长期要求的最佳浓度与衰亡期是不同的，所以悬浮液的细胞浓度会影响能量效率。初步试验是用新鲜的发酵酵母溶液，细胞成指数增长阶段，相比较储存或者冻结的细胞更敏感。比较包括水力空化在内的各种处理方法的能量效率，水力空化的能耗比混合搅拌机破碎和超声波破碎的能耗要低，等效蛋白质释放率比其他 2 种高 2 个数量级。在定量的情况下，每毫升酵母悬浮液释放相同蛋白质释放率所耗费的能量：水力空化的能耗20.7 J/mL、超声处理的能耗1500 J/mL、混合搅拌器破碎的能耗是 900 J/mL。在一个早期实验的广泛讨论中 Save 等人 (1997

35、和 Balasundaram and Pandit (2001a, b都研究了水力空化细胞破碎的过程，处理容积分别是 200L 和 50L，得到了近乎相同的能量效率。且有如下结论：尽管空化产生高活性自由基和局部高温、高压，细胞内的蛋白质还是不能释放。葡萄苷酶和蔗糖酶在正常条件下是不会受到影响的，然而长时间的曝气会导致蛋白质含量降低 10% ，但是曝气有助于在极小的时间间隔（一般是几微秒）里发生激烈的空化现象，不会造成释放的酶的变质。因此，通过适当调整系统操作参数和几何参数和处理时间来调节空化现象的强度是很重要的还应指出，细胞破碎过程的机理根据所用的反应器不同而不同(Balasund-aram

36、and Pandit 2001a 。细胞破碎通过在某些设备中整个细胞完全破碎释放细胞内的酶，或者仅仅通过剪切运动破碎细胞壁外层，酶透过细胞壁或者仅仅细胞质能够释放出来（渗透缓慢）。 Balasundaram 和 Pandit (2001a 研究了通过声波降解法、高压均质器和水力空化破坏酵母细胞的基因使细胞内转化酶释放，研究发现在孔板水力空化场合，蔗糖酶的释放率高于可溶性蛋白质总和，这可能是由于周质间隙的酶的原因。在酶和其他蛋白质释放模式已知的基础上，转化酶（周质）的选择性释放发生在水力空化的初始阶段，细胞完全破碎释放所有可释放蛋白质（细胞质也一样）之前。在超声波诱导产生空化处理的案例中，转化酶

37、酶素的释放比例与其他蛋白质的释放比例相当，归因于超声空化处理的空化强度比水力空化激烈。剧烈空化使细胞完全破碎，水力空化反应器虽然空化强度温和，但是由于剪切作用而对细胞产生撞击/ 研磨的效果，导致细胞壁破裂而不是整个细胞破碎。 Balasundaram 和 Harrison (2006a研究了水力空化在大肠杆菌细胞局部破碎方面的应用并且论述了周质和细胞质酶相对于所有可溶性蛋白质的选择性释放是空化强度的函数。Balasundaram和 Pandit(2001b采用位置因子的概念量化酶的释放率对酶在细胞内的位置的依赖程度。位置因子可以定义为酶的释放率 /细胞内总的蛋白质释放率的比值。典型的，对于周质

38、中的酶，位置因子大于1，对于细胞质中的酶，位置因子小于 1。对于转化酶和青霉素酰化酶的释放，位置因子对于所有空化设备均大于 1，可以分别确定酵母菌和大肠杆菌细胞中这 2 种酶在周质中的位置。而且，检测到水力空化处理的位置因子大于声波降解法和高压均质器处理的位置因子，证实了先前论述的水力空化应用于细胞破碎的机制，也就是由于剪切作用而对细胞产生撞击 /研磨的效果。对于醇脱氢酶（ ADH ），它的位置因子在 0.5 左右，证实了 ADH 目前基本存在于细胞质中的结论，Balasundaram和 Harrison(2006b 也论述了不同的酶的位置因子在系统产生的空化强度一定的条件下可以相似，例如 -

39、 葡萄糖甘酶（周质）、转化酶（细胞壁）、 ADH ( 细胞质和葡萄糖 -6-磷酸脱氢酶（ G6PDH；细胞质）。由上述研究可以得知，酶的位置的确影响空化反应器破碎细胞所需的能量。一些预处理方法可以用于在细胞悬浮受到真正破碎之前修正细胞中酶的位置。由于预处理步骤使得酶的转移变得相对较易，提高细胞破碎的效率。大部分的目标产品是在细胞的细胞质中获得的，因此，细胞破碎在完全破碎细胞壁和细胞质时不可能没有较大的能耗而达到目的，回收细胞质中的酶比周质中的酶需要更多的能量 (Chisti and Moo-Young 1986。因此从细胞质区域向周质区域转移酶是可以节约大量能量的。文献中论述了热应力、发酵过程

40、的培养时间、调节 PH 值和化学预处理等各种各样的使用在酶转移中的技术 (Farkade 等人2005,2006 年和 Anand 等人 2007。综合而言，使用水力空化反应器进行细胞破碎已经最终证明了其具有广阔的应用前景，相比于由超声引起的声空化其能量利用率更高。并且，相对于依靠机械能的传统技术，所有的空化反应器的能量利用率都更高。根据介质中的细胞中的特定酶和干菌重选择空化箱结构的特殊反应器装置和运行参数如入口压力和流量。预处理的方式例如高温、调整 PH处理和化学处理可以增加制定酶的选择和在相同时间类有效的减小能量需求为目的。水的消毒过去，水中微生物的灭活是采用物理和化学的方法(Bitton

41、 1994;Pontius 1990; White 1992，然而，这些方法的不足之处超过了它所产生的功效 (Cheremissinoff et al. 1981; Minear and Amy 1996。比如，漂白粉，作为一种消毒剂广泛使用， 容易诱变产生致癌物质（三氯甲烷）。不提使用化学药剂所产生的副产物，化学方法也受严重的传质限制影响而导致消毒效率较低。同样，使用化学方法处理，某些种类的微生物群和孢子可以像球一样凝结或大量聚集，这些微生物群可以破坏目标微生物的表面而最里面的有机组织却没有受到损害。而且，任何一种消毒的方法都不会是完美的，要受到诸多因素影响，包括处理条件（例如温度和悬浮度）

42、和易变异微生物对灭活的抵抗力。已经证实有效的物理技术如紫外线也有不足之处，如紫外线在溶液中的扩散(Parker andDarby；1995 或者这种溶液能够吸收紫外线(Harris et al. 1987以及微生物能够光复活 (Harris et al. 1987 。微粒如黏土通常是用化学方法如用硫酸铝通过絮凝作用进行去除。这些絮凝物可以除去细菌和他们的孢子，防止氯化，通常大多数絮凝物都清除了，但是有一、两个在消毒的最后阶段都未受影响而通过系统，因此在水消毒时需要运用一些补充技术。空化，由于其产生热点、高活性自由基和对流体回路的扰动特殊作用，作为水消毒技术有巨大的潜力。使用超声反应器进行微生物

43、杀菌已经研究非常充分，并且在这方面出版了许多卓有成效的评论Phull et al.(1997, Mason et al.(2003和 Piyasena et al.(2003。尽管相比于声空化反应器，水力空化的效果更好，但是它在最近的几年才应用于微生物消毒。Jyoti和 Pandit(2001研究了关于使用不同的水力空化反应器（高速均质器、高压均质器和孔板设备）对孔井水消毒的空化方面的应用，也与由声空化产生的喇叭型超声反应器（在22KHz和 220w的条件小运行）进行了比较，发现水力空化的效果好。大体上，随着消毒程度（效果）的增加消毒所需的能量也相应增加。孔板反应器用75L 容量在运行压力增加

44、的情况下试验，发现相应的消毒程度增加。研究表明，空化对孔井水样品的消毒一样有效，并且超声喇叭和高速均质器在处理时间低于30 分钟就可以实现90%的消毒效果，使用孔板反应器的效果效果相对差一点。比较所有设备在单位能量的条件下的消毒效果，结果表明孔板反应器在高压强工况时是所有反应器中效率最高的。定量而言，孔板反应器在单位能耗时的处理度是310CFU/J，远高于超声喇叭的45CFU/J 和高速均质器的55CFU/J。对于高压均质器，其消毒率一般高于其他的空化反应器，但是它的能量利用率非常的低（ 5CFU/J）。Arrojo 等人 (2008 研究了不同的空化箱设计和运行参数对大肠杆菌灭活率的影响。水

45、力空化在空化装置回路的流体回路中产生，需要如下设备： 60L 的水箱，不锈钢材料制造的 9kw 多级离心泵， PVC 管和能够安装管或者孔板的内表面光滑曲线构成的空化腔。 实验中应用的三种结构形式具有几乎相同的过流横截面积，三种结构分布着不同数量的孔：一个直径为5mm的孔， 6 个直径为 2mm的孔， 25 个直径为 1mm的孔。 另一方面，文丘里管结构是由光滑收缩管、一个喉管和一个光滑的分支管构成。对于水力空化，空化产生相对较低的压力震荡（低频率），消毒作用主要是靠机械破碎细菌的作用。因此，可以通过改变结构和运行参数来获得大空泡，扩大压力的震荡和增加空化的数目，使得消毒效果最大化（这些条件是

46、在文丘里管中找到的）。Mezule 等人 (2009 研究了在实验室规模条件下应用水力空化对含大肠杆菌废水消毒效果的影响。 空化是由一个转子产生，转子由旋转的刀具驱动，空化器在薄层水中，水从水箱流出最后又回到水箱中。 消毒的功效可以通过使用5-氰基 -2，3-联甲苯四氮唑氯化物（ CTC）的方法和直接镜检计数 (DVC 标定繁殖能力的方法检测微生物呼吸活性进行分析。实验证明水力空化可以有效遏制细菌分裂，实验数据表明用490W/L 的输入能量处理 3 分钟可以遏制75%的大肠杆菌细胞的分裂。而且， CTC 方法结果分析表明大多数细胞还能够进行呼吸作用，表明大肠杆菌细胞进入活跃期而不是在培养基培养

47、状态（ABNC ）。这些研究表明水力空化技术是简单的，在农村饮用水消毒方面有潜在价值。如前所叙，可以对空化腔进行优化来增加空化强度，使所有细胞（包括能够进行呼吸作用的细胞）彻底破裂。处理的成本是另外一个重要因素，因此在采用空化技术取代传统技术进行消毒之前必须确定成本。Jyoti 和 Pandit(2001 比较传统的臭氧消毒和氯消毒的成本估算了各种空化反应器处理的成本，报告指出，相比于用声化学反应器和高压均质器诱导产生空化（处理成本分别是 14.88 美元 / m3和 6.55 美元 / m ），用高速均质器和孔板反应器3诱导产生空化是成本效益最好的（处理成本分别是0.81 美元和 1.4 美

48、元/ m 3）。然而，在小规模应用方面水力空化处理成本还是比氯消毒（处理成本在 0.0071 美元 / m 3）或者臭氧氧化法消毒（处理成本在 0.024 美元 /m3）的成本更高。因此，水力空化更适合应用于大规模处理（如压载水处理和市政公司水处理企业）或者是处理后水的最终用途不允许产生一般与传统处理方案有关的危险副产物。改善反应器中的空化活动联合 / 不联合传统处理技术是减小处理成本的另外一个方法。我们接下来将深入研究在反应器内通过使用附加物强化空化活动和空化与传统技术如氯、臭氧、氧化剂和次氯酸盐方法联合应用进行消毒处理的各个方面。Jyoti 和 Pandit(2003, 2004研究了各种

49、空化处理方法（声空化和水力空化）和化学处理法（氧化剂和臭氧）联合应用于孔井水处理。研究发现当用过氧化氢或者臭氧与超声空化联合作用时，无论超声变辐器还是超声喷淋头都能够增强HPC 细胞破碎的效果。这个结果归因于过氧化氢 /臭氧对细胞壁膜的渗透率增加，传质速率增加和高活性自由基数目增多。因为除了自由基之外臭氧分子也具有消毒作用，所以臭氧与超声联合使用的水消毒效果要比过氧化氢与超声联合应用的效果好。再从水力空化的角度看，当加入过氧化氢或者臭氧时总消毒率增加，导致其对 HPC 细菌的消毒效率比单一的水力空化处理更高。类似的，当超声流细胞（超声处理）与水力空化和过氧化氢一起使用时，其消毒率大幅度增加，因

50、为在流体介质中存在超声流细胞时，水力空化反应器的空化强度增加，反过来加速过氧化氢的分解或者增加细胞壁破裂的可能性，提高H2O2 对细胞壁渗透能力，增加孔井水中微生物的死亡率。还不计自由基的作用，只考虑了过氧化氢、超声、水力空化的单独作用。Chand 等人 (2007 近来研究了流体哨反应器（ LWR ）与臭氧联合使用进行水处理， LWR 产生用于对含有大肠杆菌的模拟废水进行消毒的水力空化， LWR 处理的悬浮液的大肠杆菌浓度约 108 到 109CFUmL -1 ，用于检验单独的水力空化处理和水力空化与臭氧氧化联合处理的效果。用流体哨反应器产生水力空化的消毒率为 22%，但是 LWR 与臭氧联

51、合处理只需要短时间的臭氧处理就可以达到 75的消毒率。因为流体哨反应器中的回流增加臭氧的有效利用率而使系统的传质速率大幅度增加。结果表明最佳处理方案是在较低操作温度下水力空化与水力空化联合处理废水，如果不能维持较低操作温度，这是工业大规模操作的事实情况，在高压条件下进行液体哨反应器空化处理也能达到相同的效果（由水力空化来贡献增长） ，特别推荐采用更高的压力和相同的臭氧量用于含有有机物和污垢的污水处理。适量的臭氧和水力空化联合使用非常重要，便于开发较低能耗时处理时间相同经济性更强的过程，这种联合应用技术成本效益好，相对于单一的水力空化（消毒程度较低）或者臭氧化（由于臭氧成本过高使处理成本过高）而

52、言能够获得最大的消毒率。水处理空化可以产生热点、高活性自由基和流体扰动的特殊效果，尽管水力空化产生的空化强度较低，使水力空化的应用受到限制，但水力空化在工业水处理方面还是具有很大的潜力。我们强调化学物质的降解过程的一些重要插图，这样可以知道在食品加工行业中产生的污水例如染料（可能是食品添加剂的颜色），杀虫剂（可能存在于新鲜的蔬菜、水果和在洗涤时流出的水）和P-硝基酚。Sivakumar 和 Pandit(2002论述了用水力空化对染料污水进行脱色。观察到在相同的流动区域，直径小、数量多的孔板比数量少、直径大的孔板具有更好的脱色效果，两种情况下的湍流频率可以解释观察结果。水力空化反应器曾经使用复

53、合的孔板来产生空化，效果是声空化最佳效果（容量为1.5 升的双频流细胞）的2倍。Wang等人 (2008 论述了用转动射流泵（转子泵）诱导产生水力空化来降解溶解在水中的若明丹 B。发现使用转动射流泵诱导空化可以降解溶解在水中的若明丹B，并且降解过程可以用准一级反应动力学方程描述。讨论了工作条件例如压力、温度、若明丹B 的初始浓度和水的PH值对若明丹 B 降解率的影响，发现若明丹B的降解率随着压力的上升和初始浓度的减小而增大，若明丹 B 的降解率受操作温度和溶液 PH值的影响很大，转动射流泵诱导产生空化对若明丹 B 降解的氧化作用要强于声化学空化。Wang和 Zhang(2009 研究了处理容量

54、为 25L 的转动射流泵产生水力空化降解甲草胺水溶液。结果表明转动射流泵诱导产生空化能够成功降解水溶液中的甲草胺。降解过程可以用准一级反应动力学方程描述，在处理温度为40oC时，降解常数 K 对应 ，得出了工作条件如流体压力、处理温度、甲草胺的初始浓度和溶液的 PH值对甲草胺降解率的影响，结果显示甲草胺的降解率随着工作压力增加而增加，随着初始浓度的增加而降低，甲草胺的最佳降解温度是 40oC，并且甲草胺的降解率受溶液 PH值影响。Kalumuck 和 Chahine(2000研究了用三缸容积污水泵（17 L/min，压力为69bar ）输水产生空化来降解对硝基苯酚（p-nitrophenol）。在循环系统中使用多个复合孔板以保证产生足够强度的空化效果。循环操作反应器的操作容积为6.5L 。结果表明空化射流反应器具有的氧化作用（单位能耗的降解量，单位毫克/J ）是声化学反应器即超声变辐器（放射频率15.7KHz，