通过压力波加工材料的方法和系统

本申请主张于2018年11月5日提交的美国专利临时申请案申请号为62/755,622的优先权，其公开内容通过引用并入本文作为参考。

在本发明的一些实施例中，本发明是有关于材料加工(processing)，并且更具体地但非限定地是有关于一种通过压力波加工例如但不限于食物的材料的方法和系统。

植物和天然产物是大量化合物的来源，通常是生物活性化合物，在许多领域有用，包括但不限于食品、功能性食品、保健品、药品和化妆品。由于这些有用的化合物以相对较低的浓度存在于天然材料中，因此提取这些具有商业吸引力的天然成分是工业界关注的焦点。萃取技术主要有水蒸气蒸馏法、溶剂萃取法、超临界二氧化碳萃取法和微波辅助萃取法。

还已知采用超声波来加工食物的技术。例如，美国专利公开号US20080032030公开了使用超声波从暴露于水的咖啡豆生产饮料的用途。

美国专利公开申请US20120135115公开了一种通过将空化超声波传输到浸泡在水中的硬质食品来制备用于消费的硬质食品的方法。

专利合作条约WO2017/064696号的国际公开，其内容通过引用并入本文，其公开了一种加工材料的方法，通过推动大量材料穿过人工产生的风暴，并旋转推动大量材料，以产生可用于加工材料的声学效果。声学效应包括与材料声耦合并与其共振的压力梯度。

发明内容

发明人发现，超声波提取系统会产生热量和副产物，并通过形成自由基物质来破坏精细的成分。发明人发现，超声提取系统是单声道的，在产生共振方面非常受限制，并且效率低。

因此，根据本发明的一些实施例的一目的，提供了一种用于加工材料的系统。所述系统包括：一反应器，其具有用于接收所述材料的一流动的一入口和用于从所述反应器释出加工过的材料的一出口；一第一声学换能器和一第二声学换能器，从两个相对端部声学耦合到所述反应器，用于产生在所述反应器内以相反方向传播并穿过所述材料的声波；以及一组弦线，被设置于所述反应器内的张力下，并被选择以一预定频率共振振动，以响应于所述声波。

根据本发明的一些实施例，所述组弦线呈一圆锥形排列，以在所述圆锥形排列的一顶点处接收来自所述第一换能器的声波。

根据本发明的一些实施例，所述组弦线被设置成一扁平形状。

根据本发明的一些实施例，所述组弦线被设置成一形状，所述形状选自由抛物线形、椭圆形、圆形、三角形和圆形所组成的群组。

根据本发明的一些实施例，所述第一换能器和所述第二换能器中的至少一个为一电磁换能器。

根据本发明的一些实施例，所述第一换能器和所述第二换能器中的每一个都为一电磁换能器。

根据本发明的一些实施例，所述第一换能器通过设置在所述反应器内部的一声学喇叭耦合到所述反应器。

根据本发明的一些实施例，所述声学喇叭与所述材料直接接触。

根据本发明的一些实施例，所述第二换能器通过一声波导管耦合至所述反应器。

根据本发明的一些实施例，所述系统更包括设置于所述声波导管和谐振器之间的一声学膜片。

根据本发明的一些实施例，所述声学膜片直接耦合到所述组弦线。

根据本发明的一些实施例，所述系统更包括一声学折射组件，用于在所述声波到达所述组弦线之前折射由所述第一换能器产生的声波。

根据本发明的一些实施例，所述反应器的至少一部分包括一冷却通道，所述冷却通道设置于所述反应器的一壁上。

根据本发明的一些实施例，所述系统更包括一控制系统，所述控制系统具有一电路，所述电路被配置为驱动所述换能器以在所述预定频率产生所述声波。

根据本发明的一些实施例，所述控制系统的所述电路被配置为驱动所述换能器以同相位运行。

根据本发明的一些实施例，所述控制系统的所述电路被配置为驱动所述换能器以异相位运行。

根据本发明的一些实施例，所述控制系统的所述电路被配置为驱动所述换能器，使得所述声波处于同相位。

根据本发明的一些实施例，所述控制系统的所述电路被配置为驱动所述换能器，使得所述声波处于相反的相位。

根据本发明的一些实施例，所述电路包括选自由下列群组中组成的至少一个电路：模拟电路、数字电路、混合电路、声音添加电路、声音消减电路、调频电路、脉冲控制调制(PCM)电路、物理建模电路、变体电路和采样电路。

根据本发明的一些实施例，所述控制系统被配置为通过迫使所述材料通过所述出口进入所述反应器并通过所述入口离开所述反应器而使所述流动的一方向反转。

根据本发明的一些实施例的一目的，提供了一种用于加工材料的系统。所述系统包括：一反应器，其具有用于接收所述材料的一流动的一入口和用于从所述反应器释出加工过的材料的一出口；一声学换能器，用于产生在所述反应器内传播并穿过所述材料的声波；以及至少一弦线，被设置于所述反应器内的张力下，并被选择以一预定频率共振振动，以响应所述声波。

根据本发明的一些实施例，所述系统的所述反应器是一导管。

根据本发明的一些实施例，所述系统的所述反应器是一腔室。

根据本发明的一些实施例，所述系统更包括一声学组件，所述声学组件选自由声反射器、声偏转器、折射声组件、声搅拌器、声透镜和声集中器、复合集中器、复合抛物面集中器、声吸收器和声波导管组成的群组中。

根据本发明的一些实施例，所述至少一弦线是呈一圆锥形排列的一组弦线，以在所述圆锥形排列的一顶点处接收来自第一换能器的声波。

根据本发明的一些实施例，所述换能器通过设置在所述反应器内部的一声学喇叭耦合到所述反应器。

根据本发明的一些实施例，所述声学喇叭与所述材料直接接触。

根据本发明的一些实施例，所述换能器通过一声波导管耦合至所述反应器。

根据本发明的一些实施例，所述系统更包括设置于所述声波导管和谐振器之间的一声学膜片。

根据本发明的一些实施例，所述声学膜片直接耦合到所述弦线。

根据本发明的一些实施例，所述系统更包括一声学折射组件，用于在所述声波到达所述至少一弦线之前折射由所述第一换能器产生的声波。

根据本发明的一些实施例，所述反应器的至少一部分包括一冷却通道，所述冷却通道设置于所述反应器的一壁上。

根据本发明的一些实施例，所述反应器为一双壁结构，所述冷却通道设置于所述双壁结构的一内壁与一外壁之间。

根据本发明的一些实施例，所述系统更包括一控制系统，所述控制系统具有一电路，所述电路被配置为驱动所述换能器以在所述预定频率产生所述声波。

根据本发明的一些实施例，所述控制系统的所述电路被配置为向所述换能器提供信号，所述信号具有选自由锯齿波形、三角波形、方波波形、正弦波形、多个小波的一组合组成的一波形及其任意组合所组成的群组中的一波形。

根据本发明的一些实施例，所述控制系统被配置为通过迫使所述材料通过所述出口进入所述反应器并通过所述入口离开所述反应器而使所述流动的一方向反转。

根据本发明的一些实施例的一目的，提供了一种加工一材料的方法。所述方法包括：将所述材料的一流动提供至一反应器，所述反应器具有用于接收所述材料的流动的一入口和用于从所述反应器释出加工过的材料的一出口；以及产生多个声波，以在所述反应器内传播并以相反的方向穿过所述材料，并且使在所述反应器内处于张力下的一组弦线共振振动。

根据本发明的一些实施例，所述方法更包括在所述提供之前冷却或加热所述材料。

根据本发明的一些实施例，所述组弦线呈一圆锥形排列，以在所述圆锥形排列的一顶点处接收声波。

根据本发明的一些实施例，所述方法更包括通过设置在所述反应器内的一声学喇叭将多个所述声波之一耦合到所述反应器。

根据本发明的一些实施例，所述方法更包括通过一声波导管将多个所述声波之一耦合到所述反应器。

根据本发明的一些实施例，所述方法更包括在所述声波到达所述组弦线之前折射多个所述声波中的一个。

根据本发明的一些实施例，所述方法更包括冷却所述反应器。

根据本发明的一些实施例，所述产生多个所述声波的步骤包括向至少一个换能器发射一信号，所述信号具有选自由锯齿波形、三角波形、方波波形、正弦波形、多个小波的一组合组成的一波形及其任意组合所组成的群组中的一波形。

根据本发明的一些实施例，所述产生多个所述声波的步骤包括驱动两个声学换能器以同相位运行。

根据本发明的一些实施例，所述产生多个所述声波的步骤包括驱动两个声学换能器以相反的相位运行。

根据本发明的一些实施例，所述产生多个所述声波的步骤包括驱动两个声学换能器，使得所述声波处于同相位。

根据本发明的一些实施例，所述产生多个所述声波的步骤包括驱动两个声学换能器，，使得所述声波处于相反的相位。

根据本发明的一些实施例，所述方法更包使所述反应器中的所述流动的一方向反转。

根据本发明的一些实施例，所述材料是可食用的。

根据本发明的一些实施例，所述材料是一药物。

根据本发明的一些实施例，所述材料是一化妆品。

根据本发明的一些实施例，所述材料包括选自由下列群组中组成的至少一种类型的材料：咖啡豆、咖啡提取物、研磨咖啡豆、大豆、大豆提取物、研磨大豆、椰子豆、椰子提取物、研磨椰子豆、橄榄、橄榄泥、糖、蔗糖、糖替代物、盐、芦荟、芦荟提取物、紫锥菊、紫锥菊提取物、海藻、水果和水油乳剂。

除非另有定义，否则本文使用的所有技术及/或科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。虽然在本发明实施例的实施或测试中可以使用与本文所述方法和材料类似或等同的方法和材料，下面描述的方法及/或材料为例示性的。如果发生矛盾，专利说明书包括其定义，将受到限制。另外，这些材料、方法和实施例仅是说明性的，并非用以限制。

本发明实施例的方法及/或系统的实现可以关于手动地、自动地或者其组合地执行或完成选择的任务。而且，根据本发明方法及/或系统的实施例的实际仪器和设备，可以通过硬件、通过软件、或通过固件或其组合通过使用操作系统来实现几个选择的任务。

例如，根据本发明的实施例执行选定任务的硬件可以被实现为芯片或电路。作为软件，根据本发明实施例的选定任务可以被实现为由使用任何合适的操作系统的计算器执行的多个软件指令。在本发明例示性实施例中，根据本文描述的方法及/或系统的例示性实施例的一个或多个任务由诸如用于执行多个指令的计算平台的数据处理器执行。可选地，数据处理器包括用于存储指令及/或数据的挥发性内存及/或用于存储指令及/或数据的非挥发性内存，例如磁性硬盘及/或可移动介质。可选地，也提供网络连接。更可选地提供显示器及/或用户输入设备，例如键盘或鼠标。

附图说明

这里仅通过举例的方式参考附加的图式来描述本发明的一些实施例。现在具体参照附图详细说明，强调的是，所示出的细节是作为例示并且出于对本发明实施例的说明性讨论的目的。就这一点而言，对于本领域技术人员而言，利用附图进行的描述对于可以如何实践本发明的实施例是显而易见的。

在附图中：

图1A至图1C是根据本发明的一些实施例的用于加工一材料的一系统示意图；

图2是根据本发明的一些实施例的用于加工一材料的方法的流程示意图；以及

图3是根据本发明的一些实施例进行的实验中使用的实验装置的框图；

图4A至图4D是根据本发明的一些实施例的系统的示意图，其中所述系统包括一个以上的反应器；以及

图5A至图5F是在根据本发明的一些实施例的系统中使用的一组弦线的示意图。

具体实施方式

在本发明的一些实施例中，本发明涉及材料加工，更具体地但不限于，本发明涉及通过压力波加工材料的方法和系统，例如但不限于食物。

在详细解释本发明的至少一实施例之前，应当理解的是，本发明在其应用中不一定限于以下描述中阐述的组件及/或方法及/或在附图及/或实施例中所示出的构造和设置细节。本发明能够具有其他实施例或以各种方式实施或执行。

本实施例利用声波来加工材料。发明人发现声波可以影响多种现象，包括但不限于提取、研磨和杀菌。声波的行为模式和光一样，遵循反射、折射和衍射的规律。

发明人成功地设计了一种利用声波能量来加工材料的方法和系统。发明人发现，根据待加工的材料来调谐声波的频率，以及可选地并且优选地调谐其它参数，例如强度、相对相位和包络，这是特别有利的，因为这样的调谐显著地提高了加工的效率。发明人发现声波可以起到驱动作用，当以特定频率或接近特定频率施加时，声波可以引起共振并促进干燥材料的膨胀和水合作用，并促进质量转移过程。例如，共振会在豆子的壁上形成裂纹，从而促进质量从豆子中转移出来。共振还可以使粒子(particles)分解成其组分，或将大粒子分解成小粒子。这种粒子尺寸的减小增加了粒子与其周围介质(例如载液)之间的接触面积，从而促进了目标物质从粒子到介质的质量转移。

发明人发现，由声波和材料之间的相互作用产生的热量可以使材料灭菌，并且可以通过在特定的谐振频率或接近特定的谐振频率下进行操作来提高由声波产生的热量。

因此，本实施例的方法和系统可用于加工材料，特别是用于生产原生材料的提取物，用于研磨一材料及/或用于对一材料进行灭菌。本实施例的方法和系统可附加地或替代地实现以下至少一种：干燥、雕刻、剪切、撕裂、纹理化、解离、崩解、凝聚、分选、变形、结合、破碎、粒径减小、粒径增大、团聚、气体化、雾化、声雾化、粉化、均化、分离、喷雾化、液化、压碎、干燥、物理相互作用、温度变化和/或其任何组合。

现在参考附图，图1A示出了根据本发明一些实施例的用于加工(processing)一材料的一系统100。优选地，所述材料是原料，但是本实施例还设想了加工已被部分加工的材料。例如，当原料是豆子的形式时，系统100可以接收豆子并对其进行加工，或者系统可以接收磨碎的豆子，或者来自豆子的提取物，在这种情况下，系统100可以加工磨碎的豆子或提取物。

系统100可用于加工许多类型的材料，例如但不限于食用材料、药品和化妆品。可由系统100加工的材料类型的更具体实例包括但不限于咖啡豆、咖啡提取物、研磨咖啡豆、大豆、大豆提取物、研磨大豆、椰子豆、椰子提取物、研磨椰子豆、橄榄、橄榄泥、糖、蔗糖、糖替代物、盐、芦荟、芦荟提取物、紫锥菊、紫锥菊提取物、海藻、水果和水油乳剂。

系统100可选地且优选地包括具有一第一端口9和一第二端口出口18的反应器102。通常，所述第一端口9用作接收所述材料的一流动的一入口，所述端口18用作从反应器102释放加工过的物料的一出口。所述流动优选为材料和一载液(例如水)的一混合物的一流动。当材料本身呈液态时(例如，当材料为提取物时)，所述流动包括不含载液的材料。然而，通常，所述材料与载液混合，即使所述材料是液态的。

虽然上面的端口9和端口18在上面被称为“入口”和“出口”，但在本发明的一些实施例中，系统100可以具有这样的操作模式，其中端口18作为入口，端口9作为出口，以便将材料送入端口18并通过端口9释放。在本发明的一些实施例中，系统100例如周期性地或在用户干预时在端口9用作入口和端口18用作出口的第一操作模式与端口18用作入口和端口9用作出口的第二操作模式之间切换，从而在反应器102中产生一反向流动。所述流动的方向的反转的优点是反向流动可以产生高液压，从而提高材料中的声速，还可以降低或防止固体沉淀和堵塞的可能性。

反应器102优选由金属制成，例如但不限于钛、不锈钢、铝、铜及其任何组合。优选但非必须地，反应器102由食品级材料及/或生物兼容性材料制成。反应器102可以具有任何形状。通常但非必须地，反应器102具有大概呈抛物线形状，以允许反应器作为抛物线浓缩器。反应器的典型几何浓度比为约2∶1至约5∶1。优选地，反应器102具有一圆锥形形状或包括一圆锥形部分118，例如，圆锥形、截头锥体等的形状。圆锥形部分的母线通常显示为13。圆锥形部分118在图1B中更好地示出。圆锥形的优点是它允许反应器作为一个声学集中器。在本发明的一些实施例中，反应器包括一个观察窗(如图5中107所示)，以允许操作员检查反应器的内部。

反应器102可以是导管、腔室、管道及/或圆柱形的加工外壳。反应器102可以具有至少一个入口和出口，并且可以任选地且优选地具有任意数量的容纳插入件，例如但不限于声学弦线组、滤波器、声音偏转器、反射面和振动隔离区。在本发明的一些实施例中，反应器102的尺寸被选择用作特定波长和频率的谐振器。可选地且优选地，反应器102具有一个或多个声反射器、偏转器、集中器、复合集中器、抛物线部分、波倾泄部分以及用于增加或减少声阻抗匹配的部分。反应器102也可以被设置成使一个或多个传感器耦合到反应器(如果存在多个反应器，则可以耦合到多个反应器)。当使用不止一个反应器时，它们可以被设置和配置为并行操作以允许高通量加工，或串行操作以允许更密集的加工。反应器102可具有一双套的间隔以进行冷却。替代地或附加地，可以通过冷却待加工或提取的原料来进行冷却。

在本发明的一些实施例中，系统100包括两个声学换能器2、声学换能器3，其从反应器102的两个相对端声学耦合到反应器102，以产生声波104、12，所述声波在反应器102内以相反方向(例如，对位)传播并穿过所述材料。声学换能器2、声学换能器33可以具有调制或非调制输出。可以通过多种方式确保声波在相反方向上的传播。在图1A所示的示意图中，其不被认为是限制性的，换能器3在反应器102的顶部声学耦合至反应器102，并且换能器2在反应器102的底部声学耦合至反应器102。但是，不一定是这种情况，因为在某些应用中，可能需要在反应器102的底部安装换能器3，在反应器102的顶部安装换能器2，或者平行安装在反应器102中，在这种情况下，换能器2和换能器3中的一个可以耦合在反应器102的右侧，换能器2和换能器3中的另一个可以耦合在反应器堆102的左侧。

发明人发现，通过在反应器或加工容器的指定区域或区域中的声波之间形成相长干涉，实现声波104和12的相反或对位传播方向，从而提高了加工操作的效率，与例如这样的构造相比，其中在反应器的向下和/或向上传播方向上仅产生一个声波，因为两个声波的波前碰撞区域的功率密度足够高，可以实现尺寸减小、提取、均质化、纹理化、研磨和灭菌。

发明人还发现，例如，与在其中一个声波在一侧产生，并且从另一侧反射或传播到反应堆另一侧的结构相比，使用耦合到反应器102的相对侧的两个传感器产生声波104和声波12是有利的。因为反射的声波的强度通常小于其产生时的强度。

使用对位耦合换能器的另一个优点是能够产生足够强的高能量密度区，以产生微射流和梯度压力区，这有助于形成声能的均匀分布，从而提供加工均匀性，通常可以提高加工质量。

在本发明的一些实施例中，换能器3通过放置在反应器102内的声学喇叭6耦合到反应器102。根据需要，声学喇叭6可以是全波长或半波长喇叭。换能器3的主体5可选且优选地位于反应器102外部，并且例如通过弹性杆或弹簧110连接到喇叭6。换能器3通常是机电换能器。优选地，换能器3可以是电磁换能器，在这种情况下，换能器3的主体5可以包括磁场发生器和线圈，所述线圈响应于施加到其上的AC信号而产生机械振动。替代地，换能器3可以是压电换能器，在这种情况下，换能器3的主体5可以包括压晶体管，所述压晶体管响应于施加到其上的AC信号而振动。电磁换能器的优点在于，它可以提供更大的振动幅度并产生更少的热量。压电换能器的优点是它对振动不太敏感。

在本发明的一些实施例中，系统100包括一冷却系统(未示出)，所述冷却系统将冷却流体循环到系统100中，如下文进一步详述。当采用压电换能器时，这些实施例特别有用，在这种情况下，冷却流体排出换能器产生的热量。

在本发明的一些实施例中，系统100包括一运动限制装置，例如但不限于一个或多个减震器(未示出)，其在换能器操作期间抑制反应器102的振动。当采用电磁换能器时，这些实施例特别有用。

当使用电磁换能器时，由于这种类型的换能器产生较少的热量，因此可以在换能器的操作期间暂时终止冷却。替代地，当换能器3是电磁换能器时，系统100可以没有冷却系统。

换能器3的操作可以通过设置换能器的预定功率输出或通过设置换能器的预定能量输出来控制。从换能器产生的机械力矩的大小和加速度的速度来看，设置换能器的预定能量输出是优选的。

在本发明的一些实施例中，声学喇叭6与反应器102内的材料直接接触。在这些实施例中，换能器3被称为“接触式换能器”。

在本发明的一些实施例中，换能器2通过一声波导管16耦合到反应器102，使得换能器2不与反应器102内的材料直接接触。在这些实施例中，换能器2被称为“非接触式换能器”。由换能器2产生的声波112在声波导管16中传播，并在声波导管16和反应器102之间的连接点耦合到反应器102。声波导管16可以是拱形声波导管。在图1A至图1C所示的示意图中，不被视为限制，声波导管16是U形声波导管，在17处有拱形。然而，这不一定是这样，因为对于某些应用，波导16可能不必是U形声波导管甚至拱形声波导管。例如，声波导管16可以是直声波导管16，在这种情况下，换能器2安装在反应器102的一侧，声波112从所述侧被耦合。

声波导管16可以由金属部件、聚合物部件或复合材料或其组合组成。声波导管16的最小弯曲半径优选为约10mm到约30mm，并且其横截面可以是圆形或矩形或其任何组合。声波导管16的长度优选地在不超过声波112波长的四分之一的公差内，以便减小或最小化衰减，并用于防止背反射和不需要的吸收。

换能器2可以可选地并且优选地为振动膜片20的形式，例如但不限于扬声器的膜片，其可以响应于施加到其上的AC信号而振动。在一些实施例中，系统100包括位于波导管16和谐振器102之间的声学膜片15，用于增强波导管16和反应器112之间的声学耦合。膜片15用作中空空心波导管与液体之间的通道。膜片15可以是刚性的金属组件，例如成形为板状。替代地或附加地，膜片15可以包括柔性表面，所述柔性表面可选地并且优选地是平坦的，在这种情况下，其任选地并且优选地具有足够高的拉伸强度。适用于本实施例的柔性表面包括但不限于聚合物、塑料、弹性体或复合材料或其任何组合。

膜片15的几何特征中的至少一个(尺寸、厚度、深度、宽度、长度、曲率等)被可选地并且优选地选择为增强声波的耦合。优选地，膜片15具有选择的阻抗，以促进、放大、振动、传递声波并将其向前传递到反应器中的加工区域，由此待加工或提取的液体通过充当液体声波导管来传递声波。在本发明的一些实施例中，膜片15具有不小于到达的声波的波长的一半的尺寸，以便不限制、扭曲、衍射或反射波。膜片15的厚度任选的且优选的足够高以承受压力梯度，任选的且优选的不超过到达的声波的四分之一波长以最小化背反射。

本实施例还考虑其中两个换能器都是接触式换能器的配置。本实施例的示例性图示在图1C中示出，示出换能器2和换能器3都具有主体5，主体5位于反应器102外部，并且通过弹性杆或弹簧110连接到位于反应器102内部的声学喇叭6。

系统100可选地且优选地还包括一组弦线106，其被置于反应器102内处于张力下并且被选择为响应于声波104及/或声波12以一预定频率共振振动。多个弦线106在图5A至图5F中被更详细地示出。图5A至图5C、图5E和图5F示出了根据本发明一些实施例的可用于多个弦线106的几种构造。图5D示出了当声学耦合到换能器2和3时的多个弦线106。在图5D中，换能器2和换能器3都是接触式换能器，但是应当理解，换能器2和换能器3中的一个或多个可以是非接触式换能器，如上文进一步详细描述的。

可以通过明智地选择所述组弦线的长度和张力来设置多个弦线106中的一个或多个共振频率。通常但非必要，弦线106由金属制成，例如但不限于钛、钛合金和不锈钢。或者，线106可以由聚合物或复合材料制成。

弦线106的长度优选地是到达的声波的至少一个波长。多个弦线106中的每一个可具有约30微米至约500微米的直径。多个弦线106可以被编织、捆扎、交叉在其中或被单独地对准，相邻弦线之间的间隙为约10至约1000微米或约10微米至约800微米。用于排列弦线106的典型网目尺寸为约30到约120。

弦线106可以可选地并且优选地具有一个或多个衍射囊、声波反射器及/或角偏转器，以增强弦线与声波的声相互作用。

在使用声学膜片15的实施例中，声学膜片15任选地且优选地直接耦合到一组弦线106。可选地，膜片15可以定位在距弦线106的距离之内。膜片15和弦线106之间的距离可选地并且优选地是声波的多个波长或一半波长。优选地，膜片15和弦线106之间的距离与声波的多个波长的距离偏离不超过半个波长。声学膜片15接收在声波导管16中传播的声波112，并且耦合到所述组弦线106。在反应器中流动的液体和粒子通常与膜片15和弦线106接触，因此可以作为一耦合介质。

所述组弦线106中的多个弦线可选地且优选地呈圆锥形排列(图5A和图5B)，所述圆锥形排列的一顶点处接收来自所述换能器3的声波12。圆锥形排列的母线通常在图1至图14中示出。当反应器102呈锥形时，反应器102的锥度和所述组弦线106的锥度优选地彼此相反，使得来自换能器3的声波104在传播(例如向下)时经历逐渐减小的体积，增加能量密度，并且来自换能器2的声波12在传播时(例如向上)，弦线网目的面积逐渐减小。这些实施例的优点在于，利用这种配置，存在多个碰撞区域，在所述碰撞区域处，声波104和声波12都具有高强度。然而，由于多个弦线106的圆锥形排列可以以较小的横截面朝上(图5A)或朝下(图5B)的方式取向，所以不必一定是这种情况。此外，本实施例还设想了用于多个弦线106的非圆锥形排列，例如，如图5C所示的大概呈圆柱形的设置。也可以考虑形成其它几何形状的设置。此类几何形状的代表性示例包括但不限于平面、抛物线形、椭圆形、圆形、三角形、环形或其任何组合。平面设置的代表性示例如图5E和图5F所示。其中图5E示出了多个弦线106的设置，图5E示出了反应器102的多个弦线106的优选设置。示出的平面设置106位于反应器102的下半部，但是在一些实施例中，它可以可替换地位于反应器的任何部分，这取决于换能器3在反应器102内的部分的期望插入长度(例如，杆110的长度)。本实施例还考虑使用多于一种排列的多个弦线106。例如，系统100可以包括一种组合，其中一种排列的多个弦线106是平面的，而另一种排列的多个弦线106是圆锥形或圆柱形的。

在本发明的一些实施例中，系统100包括一声学折射组件11，用于在声波12到达所述组弦线106之前折射换能器3产生的声波12。声学折射组件11可以具有例如胶囊形式的圆形。优选地，选择折射组件11的尺寸以便减少从组件11反射的能量。通常，但不是必须的，组件11的尺寸小于声波的一个波长，例如，从声波的大约一半波长到小于一个波长，或大约为声波的一半波长。组件11可以由金属或陶瓷材料制成。

折射组件11改善到达声波的定向轴与多个弦线的定向布局的耦合。组件11可选地并且优选地附接在所述组弦线106的顶部，或者相对于所述组弦线106中的多个弦线附接在到达的声波轴和纵向方向之间的任何位置。

可以理解的是，声波和待加工材料之间的相互作用可以产生大量热量。因此，根据本发明的一些实施例，反应器102的至少一部分包括反应器102的一壁上的一冷却通道114。例如，反应器102可以是一双壁反应器，在这种情况下，冷却通道114位于双壁结构的一内壁和一外壁之间。可以将冷却流体，例如水或制冷剂，经由冷却流体入口10从冷却系统(未示出)引入通道114中。在本发明的各种示例性实施例中，冷却信道114与反应器的内部分离，以防止冷却流体与待加工材料之间的任何混合。

还设想了一些实施例，其中待加工材料在进入入口(例如，进入端口9)之前通过冷却或加热进行热加工。当需要增加待加工材料的粘度时，优选冷却，当需要降低待加工材料的粘度时，优选加热。这种热加工可以替代地或者更优选地与通道114中的冷却流体使用的所述流动结合来执行。

在本发明的一些实施例中，反应器102可连接到具有相同或类似结构的另一反应器，如下面参考图4A至图4D所述。可以通过连接器进行连接，如组件19所示。两个或多个反应器的连接可用于提高生产量，在这种情况下，每个连接器优选地通过各自的入口接收分开的材料的一流动，并通过各自的出口释出分开的加工过的材料的一流动。两个或多个反应器之间的这种连接在本文中被称为并联连接，并且在图4A中示意性地示出。在采用并联连接的实施例中，两个或更多反应器中的材料经受相同的条件(例如，具有相同声学参数的声波)。然而，在本发明的一些实施例中，两个或更多反应器中的材料经受不同的条件。当希望同时加工不同的材料或同时从相同的输入的材料提供不同的加工的材料时，这些实施例特别有用。

可替代地，两个或更多反应器的连接可以用于执行多阶段加工，在这种情况下，从一个反应器的出口释放的已加工材料的流动作为进入另一反应器的入口的输入流动。两个或更多个反应器之间的这种连接在本文中称为串联连接，并且在图4B中示出。

在采用串联连接的实施例中，同一批材料由另一反应器进一步加工(例如，进一步减小粒子尺寸，或增加提取的目标物质的量，或增加灭菌水平)。在采用串联连接的实施例中，两个或更多反应器中的材料任选地且优选地经受不同的条件(例如，具有不同声学参数的声波)。例如，两个反应器中声波的强度可能不同，以便提供，例如，在一个反应器中粗磨和在随后的一个反应器中进行更精细的研磨。然而，在发明人进行的实验中发现，使用串联反应器可以提高加工操作的效率，即使串联反应器中的材料处于相同的条件下。因此，根据本发明的一些实施例，两个或多个反应器串联连接，其中至少两个串联反应器中的材料经受相同的条件(例如，具有相同声学参数的声波)。

还考虑了采用反应器的串联和并联连接的实施方式。例如，如图4C所示，两个或多个反应器可以串联连接以进行多阶段加工，其中将多阶段加工的输出并行地馈送到并联连接的两个或多个反应器。参见图4D中示出了另一个示例，其中两个或更多个并联连接的反应器和每个反应器的输出被馈送到两个或更多个串联连接的反应器以进行多阶段加工。也可以考虑并联和串联连接的其他组合。

在本发明的一些实施例中，系统100包括一控制系统116，所述控制系统116具有一电路，所述电路被配置为驱动换能器2和换能器3以产生一预定频率的声波，所述频率优选地是一个声波频率(例如，从约20赫兹到约20千赫兹)。控制系统116与换能器2和换能器3之间的控制线通常显示在组件4处。

通常，但不是必须的，控制系统116的电路可以配置成驱动换能器2和换能器3以产生一组弦线106的共振频率的声波，从而显著增加反应器中声波的强度。通常，频率是可调谐的，从而允许操作者改变频率以提高加工的效率。例如，当系统100用于提取时，可以改变频率以增加通过出口18排出的液体中的溶解固体含量的变化率。已知溶解的固形物含量与白利糖度(°Bx)相关。因此，可以监测通过出口18流出的液体的白利糖度，并且可以改变频率，直到观察到白利糖度的增加或直到达到某个阈值(例如，粘度阈值、粒度分布阈值、温度阈值、颜色阈值、总悬浮固体阈值、UVT阈值、浊度阈值、压力阈值、声压级阈值)为止。

控制系统116的电路可选地且优选地驱动换能器2和换能器3以产生相同频率的声波。在本发明的一些实施例中，控制系统116的电路以换能器2和换能器3中的一个推导频率，所述频率是由另一个换能器产生的声波的频率或波长的整数倍或半整数倍。

换能器2和换能器3中的每个可以由系统116的电路连续驱动，也可以以脉冲或其任何组合来驱动。在本发明的各种示例性实施例中，控制系统116导出换能器2和3以同时产生声波，例如，当期望在两个波前之间有意地产生碰撞效果时，例如在产生构造性干扰时。然而，在一些实施例中，优选地依序生成声波，例如，当希望避免两个波前之间的碰撞效应时，这些声波可有助于增加待加工液体的均匀化。在一些实施例中，优选地同时生成声波。

在本发明的一些实施例中，控制系统116的电路驱动换能器以同相位运行，在本发明的一些实施例中，控制系统116的电路驱动换能器以异相位(例如，相反的相位)运行。在一些实施例中，控制系统116的电路考虑在换能器处产生声波的时间与声波到达反应器102并耦合到待加工液体的时间之间的延迟，从而驱动换能器，使得在反应器102中传播的声波同相位或异相位(例如，相反的相位)。

控制系统116的电路可以产生任何波形的AC信号以驱动换能器。适用于本实施例的波形的代表性示例包括但不限于锯齿波形、三角波形、方波波形、正弦波形、多个小波的一组合组成等的一波形。在发明人进行的实验中，采用锯齿波信号和其他波形，并具有不同波前。

本发明人还设想了这样的实施例，其中控制系统116的电路操作换能器以产生复合声波，所述复合声波包括具有共振频率的部分声波和具有非共振频率的部分声波。优选地，具有共振频率的部分声波的声音强度高于具有非共振频率的部分声波的声音强度。例如，具有非共振频率的部分声波的声音强度可以是具有共振频率的部分声波的声音强度的约30％至约70％，例如，约50％。

在本发明的一些实施例中，具有非共振频率的部分声波通过AM调制来调制。可以使用任何调制波形，包括但不限于锯齿调制波形、方波调制波形、三角调制波形、正弦调制波形等。AM调制通常具有约20毫秒至约40毫秒的周期。作为一个代表性实施例，AM调制可包括声音强度的逐渐增加，直到在约15毫秒到约25毫秒的持续时间内达到最大水平(通常为具有共振频率的部分声波的强度的大约30％至70％)，例如约20毫秒，接着是强度保持在其最大电平的约8毫秒到约16毫秒的时间段。

所述调制可由环形调制器、低频振荡器或其任何组合来应用。调制频率可选地且优选地从约18千赫到约22千赫。调制器可以具有从约2％到约100％的调制影响。

在本发明的一些实施例中，具有非共振频率的部分声波可以形成诸如但不限于白噪声或粉色噪声等的噪声。

控制系统116连接到电源1，例如但不限于以例如50赫兹或60赫兹的频率提供例如220伏特或110伏特的RMS电压输出的AC电源。根据本发明的一些实施例，还考虑其他类型的电源(例如，DC电源)和其他功率特性(例如，不同的电压输出或频率)。在本发明的各种示例性实施例中，控制系统116包括合成器7和计算机8。合成器7包括提供电信号的电路，所述电信号根据一个或多个可调谐参数驱动换能器2和换能器3，所述可调谐参数包括但不限于驱动信号的频率、驱动信号的基音、包络、驱动信号的刺激时间、驱动信号的衰减时间、驱动信号的维持水平和驱动信号的释放时间。

合成器7可以是独立系统，也可以是模块化组件，也可以是任何类型的。实例包括但不限于以模拟、数字、混合、信号处理合成器或用于形成任何类型的合成技术的任何组合或其任何组合，包括但不限于自适应合成、数字合成、模拟合成、物理模型合成、减法合成、FM合成、PCM合成、采样合成、随机合成或其任何组合。

计算机8可选地且优选地包括I/O电路，其控制合成器7的操作，并选择上述一个或多个可调谐参数的值，通常响应于用户输入，或作为预设的一部分，或编程或组合的序列。

合成器7的电路可以是全数字电路、全模拟电路，或者可以是具有数字和模拟组件的混合电路。合成器7的电路通常包括用于选择驱动信号的基音的电压控制放大器(VCA)和/或用于选择驱动信号频率的电压控制振荡器(VCO)。

图2是根据本发明的各种示例性实施例的适于加工材料的方法的流程图。应当理解，除非另外定义，否则以下描述的操作可以同时或顺序地以许多组合或执行顺序来执行。具体地说，流程图的顺序不被认为是限制性的。例如，以特定顺序出现在以下描述或流程图中的两个或多个步骤可以以不同顺序(例如，相反顺序)或基本上同时地被执行。另外，下面描述的几个步骤是任选的，也可能不被执行。

所述方法开始于步骤200，并且可选地并且优选地继续至步骤202，在此将材料的一流动供应至一反应器，所述反应器具有用于接收流动的入口和用于从反应器释放加工过的材料的一出口。例如，如上所述，可以将材料供应至反应器102。在本发明的一些实施例中，步骤202之前是步骤201，在步骤201中，待加工的材料被冷却或加热。所述方法任选地且优选地继续到步骤203，在所述步骤203处产生声波以在所述反应器内以相反方向传播并穿过所述材料，并且使在反应器内处于张力下的一组弦线共振振动，如上所述。在本发明的一些实施例中，声波中的一个通过放置在反应器内的声学喇叭耦合到反应器，并且在本发明的一些实施例中，声波中的一个通过声波导管耦合到反应器，如上所述。

可通过向一个或多个(可选地且优选地至少两个)换能器发射具有选自由锯齿波形、三角波形、方波波形、正弦波形、多个小波的一组合组成的信号所组成的群组中的一波形的信号来产生声波。可以驱动换能器以同相位或异相位(例如，在相反的相位中)操作，或者可以驱动换能器以使得声波同相位或异相位(例如，在相反的相位中)，如上所述。

任选地，声波中的一个在声波到达一组弦线之前被折射，例如，借助于声学折射组件(例如，声学折射组件11)，如上文进一步详述的。在本发明的一些实施例中，所述方法进行到步骤204，在所述步骤204处冷却所述反应器，如上文进一步详述的。

如上文进一步详述，所述方法可继续至步骤205，在所述步骤205加工过的材料从反应器中释放

在本发明的一些实施例中，反应器中材料的流动的方向是反向的(例如，通过在以端口9作为入口，以端口18作为出口的反应器的状态与以端口18作为入口，以端口9作为出口的反应器的状态之间进行切换)。

可以基于预定协议，例如周期性地及/或响应于监测到的声波特性或反应器内材料的状况，执行一次或多次反转。

所述方法在206处结束。

以下是根据本发明一些实施例的系统和方法的优选操作参数。

例如，靠近所述弦线的反应器内的能量密度为约10瓦特每平方米至约5000瓦特每平方米，或约10瓦特每平方米至约1000瓦特每平方米，或约800瓦特每平方米至约数千瓦特每平方米。

换能器的振幅可以从约100微米到约5厘米，或从约100微米到约4厘米，或从约200微米到约4厘米，或从约400微米到约4厘米，或从约1毫米至约4厘米，或从约1厘米至约4厘米。输出波的脉冲能量为每脉冲10焦耳到每脉冲60焦耳。

如本文所用的术语“约”是指±10％或±5％。

如本文所用的术语“包括(comprises)”、“包括(comprising)”、“包括(includes)”、“包含(including)”、“具有(having)”及其词形变化是指“包括但不限于”。

如本文所用的术语“由......组成”是指“包括但不限于”。

如本文所用的术语“基本上由......组成”是指组合物、方法或结构可包括额外的成分、步骤及/或部件，但只有当额外的成分、步骤及/或部件实质上不改变所要求保护的组合物、方法或结构的基本特征及新特征。

本文所使用的单数型式“一”、“一个”及“所述”包括复数引用，除非上下文另有明确规定。例如，术语“一化合物”或“至少一种化合物”可以包括多个化合物，包括其混合物。

在整个本申请中，本发明的各种实施例可以以一个范围的型式存在。应当理解，以一范围型式的描述仅仅是因为方便及简洁，不应理解为对本发明范围的硬性限制。因此，应当认为所述的范围描述已经具体公开所有可能的子范围以及所述范围内的单一数值。例如，应当认为从1到6的范围描述已经具体公开子范围，例如从1到3，从1到4，从1到5，从2到4，从2到6，从3到6等，以及所数范围内的单一数字，例如1、2、3、4、5及6，此不管范围为何皆适用。

每当在本文中指出数值范围，是指包括所指范围内的任何引用的数字(分数或整数)。术语，第一指示数字及第二指示数字"之间的范围”及第一指示数字"到”第二指示数字"的范围"在本文中可互换，并指包括第一及第二指示数字，及其间的所有分数及整数。

应该理解的是，本发明中的特定特征，为清楚起见，在分开的实施例的内文中描述，也可以在单一实施例的组合中提供。相反地，本发明中，为简洁起见，在单一实施例的内文中所描述的各种特征，也可以分开地、或者以任何合适的子组合、或者在适用于本发明的任何其他描述的实施例中提供。在各种实施例的内文中所描述的特定特征，并不被认为是那些实施例的必要特征，除非所述实施例没有那些元素就不起作用。

如上所述以及如下面的权利要求部分所要求保护的本发明的各种实施方式和目的将在以下实施例中寻求实验支持。

实施例

现在参考以下实施例，其连同以上描述以非限制的方式说明了本发明的一些实施方式。

根据本发明的一些实施例制造并实验测试了一原型反应器。实验装置的框图如图3所示。合成器的电压控制振荡器形成一个放大的信号，驱动一个外部换能器。在本示例中，压电接触式换能器和扬声器非接触式换能器接收驱动电信号并响应地产生声波。压电接触式换能器通过放置在反应器内的声学喇叭将声波传输至反应器，扬声器非接触式换能器通过声学中空空心声波导管将声波传输到反应器，中空空心声波导管末端有一个与反应器的本体物理耦合的振动膜，振动膜与待加工介质一起将声波传播至反应器内部的圆锥形组弦线。因此，由接触式换能器和非接触式换能器两者产生的声波，在反应器内具有向相反方向传播的波前。使用了几个声学喇叭，其中包括：四分之一波、半波、全波和多种喇叭类型的组合。使用了几种声学膜片。这些包括：平坦、弯曲的、圆形的、曲线的、抛物线的、同心的、尖头的、倾斜的、发散的，以及它们的任何组合。

咖啡悬浮液的制备方法是：将800克黑焙炒和磨碎的咖啡粉添加到8(单位)x900毫升的水量中，以提供10％浓度的咖啡悬浮液。将悬浮液手动混合1分钟，然后倒入制备容器中，在此处通过电动搅拌器以60转/分钟(RPMs)的速度进行进一步混合。然后，使用隔膜式泵通过柔性食品级聚合物管将咖啡悬浮液泵送到两个加工反应器中。泵送咖啡悬浮液的流速约为每小时约150升至180升。

依次通过两个反应器加工咖啡悬浮液。每个反应器配备有两种类型的换能器：在顶端耦合的接触式换能器，以及通过中空空心声波导管耦合到底端的非接触式换能器。四个换能器中的每一个都由合成器驱动，所述合成器产生三角波形和锯齿波形的混合组合。声波的波长在音频频谱中，频率约为5300赫兹。一个低频振荡器以及几个应用于信号的低、中、高滤波器和一个动态包络生成器被配置成通过调制电压控制振荡器在音频频谱中产生尖锐的瞬态声波。然后将合成信号放大并设置为驱动换能器。

由反应器中的换能器产生的所得声波的幅度在约50微米至约150微米的范围内。小于2400瓦的平均功率被输送到反应器，峰值平均1200瓦的平均功率被输送到每个反应器。每个反应器包括一个圆锥形弦线组和一入口和出口。咖啡悬浮液路径形成了一个加工回路，所述回路将悬浮液返回到制备容器中，并允许通过专用采样阀和指定的管道出口同时从加工回路中进行采样。

在0、30和45分钟的时间依序从加工回路中取出200cc样品。对采集的样品进行了总固体含量和白利糖度分析。结果表明，悬浮液中含有10％的研磨咖啡粉，白利糖度和固体含量都证实了提取过程的有效性。与未加工的对照样品相比，悬浮液的粘度增加，并且其风味影响也增加。

表1列出了实验中使用的操作参数

实验结果总结在下表2中。在表2中，D×(10)、D×(50)和D×(90)是指以微米为单位的粒径。

表2

如图所示，对于两个样品，白利糖度都增加了，总固体含量减少了。

使用各种调制配置进行了其他实验。表3列出了这些实验中使用的操作参数。

表3

LFO的调制百分比为30％。波形类型是短脉冲的冲击瞬变，具有可重复的循环动态包络。已使用两种类型的布线：仿真电缆布线和使用内部软件进行数字布线。

实验结果总结在下表4中。

表4

虽然已经结合具体实施例描述了本发明，但是很显然的，对于本领域技术人员而言，许多替换、修改及变化将是显而易见的。因此，本发明意在包括落入所附权利要求书的范围内的所有替代、修改及变化。

在本说明书中提及的所有出版物、专利及专利申请以其整体在此通过引用并入本说明书中。其程度如同各单独的出版物、专利或专利申请被具体及单独地指明而通过引用并入本文中。此外，所引用的或指出的任何参考文献不应被解释为承认这些参考文献可作为本发明的现有技术。本申请中标题部分在本文中用于使本说明书容易理解，而不应被解释为必要的限制。

此外，通过引用将本申请的任何优先权文件全部并入本文。