المعالجة بالموجات فوق الصوتية للسوائل والمعلقات الكثيفة والتفاعلات الكيميائية

المعالجة بالموجات فوق الصوتية طريقة معالجة ميكانيكية تولّد التجويف الصوتي وقوى فيزيائية شديدة للغاية. ولذلك، تُستخدم الموجات فوق الصوتية في تطبيقات عديدة، مثل الخلط والتجانس والطحن والتشتيت والاستحلاب والاستخلاص وإزالة الغازات والتفاعلات الكيميائية الصوتية.

ابحث عن تطبيقك في الجدول أدناه، وانقر على الرابط للانتقال مباشرةً إلى العملية التي تهمك! تعرّف على كيفية تحسين المعالجة بالموجات فوق الصوتية للعملية وكفاءتها.

التجانس بالموجات فوق الصوتية

تقلّل المجانسات بالموجات فوق الصوتية حجم الجسيمات الصغيرة في السائل لتحسين التجانس واستقرار التشتيت. ويمكن أن تكون الجسيمات (الطور المشتت) مواد صلبة أو قطيرات سائلة معلقة في طور سائل. ويتميز التجانس بالموجات فوق الصوتية بكفاءة عالية جدًا في تصغير الجسيمات اللينة والصلبة. تصنّع Hielscher أجهزة معالجة بالموجات فوق الصوتية لتحقيق التجانس لأي حجم من السوائل، وللمعالجة على دفعات أو ضمن خط الإنتاج. ويمكن استخدام الأجهزة المختبرية بالموجات فوق الصوتية لأحجام تتراوح من 1.5mL إلى نحو 4L. ويمكن للأجهزة الصناعية بالموجات فوق الصوتية معالجة دفعات تتراوح من 0.5 إلى نحو 2000L، أو معدلات تدفق تتراوح من 0.1L إلى 20 مترًا مكعبًا في الساعة، في تطوير العمليات والإنتاج التجاري.
اكتشف قوة التجانس بالموجات فوق الصوتية!

التشتيت وتفكيك التكتلات بالموجات فوق الصوتية

يُعد تشتيت المواد الصلبة في السوائل وتفكيك تكتلاتها تطبيقًا مهمًا لأجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية المزودة بمسبار. ويولّد التجويف فوق الصوتي / الصوتي قوى قص عالية تفكك تكتلات الجسيمات إلى جسيمات منفردة مشتتة. ويُعد خلط المساحيق في السوائل خطوة شائعة في تحضير تركيبات منتجات متنوعة، مثل الدهانات والورنيش ومستحضرات التجميل والأغذية والمشروبات أو أوساط التلميع. وتتماسك الجسيمات المنفردة بفعل قوى تجاذب ذات طبيعة فيزيائية وكيميائية متنوعة، بما فيها قوى فان دير فالس والتوتر السطحي للسائل. وتتغلب المعالجة بالموجات فوق الصوتية على قوى التجاذب هذه لتفكيك تكتلات الجسيمات وتشتيتها في الأوساط السائلة. ولتشتيت المساحيق في السوائل وتفكيك تكتلاتها، تُعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية عالية الشدة بديلًا جديرًا بالاهتمام للمجانسات عالية الضغط والخلاطات عالية القص ومطاحن الخرز أو الخلاطات ذات العضو الدوار والعضو الثابت.
احصل على معلومات معمقة عن التشتيت وتفكيك التكتلات بالموجات فوق الصوتية!

الاستحلاب بالموجات فوق الصوتية

تعتمد مجموعة واسعة من المنتجات الوسيطة والاستهلاكية، مثل مستحضرات التجميل وغسولات البشرة والمراهم الصيدلانية والورنيش والدهانات ومواد التشحيم والوقود، كليًا أو جزئيًا على المستحلبات. والمستحلبات عبارة عن مشتتات لطورين سائلين أو أكثر غير قابلين للامتزاج. وتوفر الموجات فوق الصوتية عالية الشدة قصًا قويًا بما يكفي لتشتيت طور سائل (الطور المشتت) على هيئة قطيرات صغيرة في طور ثانٍ (الطور المستمر). وفي منطقة التشتيت، تتسبب فقاعات التجويف التي تنهار إلى الداخل في موجات صدمية شديدة في السائل المحيط، وتؤدي إلى تكوّن نفاثات سائلة ذات سرعة عالية للسائل (قص عالٍ). ويمكن تكييف المعالجة بالموجات فوق الصوتية بدقة مع الحجم المستهدف للمستحلب، مما يتيح إنتاج المستحلبات الميكروية والنانوية بصورة موثوقة.
انقر هنا لقراءة المزيد عن الاستحلاب بالموجات فوق الصوتية!

الطحن الرطب والسحق بالموجات فوق الصوتية

تُعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية وسيلة فعالة للطحن الرطب والسحق الميكروي للجسيمات. وللموجات فوق الصوتية مزايا عديدة، ولا سيما في تصنيع المعلقات الكثيفة ذات الأحجام فائقة الدقة. وهي تتفوق على معدات تصغير الحجم التقليدية، مثل المطاحن الغروية (مثل مطاحن الكرات ومطاحن الخرز)، والمطاحن القرصية أو المطاحن النفاثة. ويمكن للمعالجة بالموجات فوق الصوتية معالجة المعلقات الكثيفة عالية التركيز وعالية اللزوجة – مما يقلّل الحجم المطلوب معالجته. وبالطبع، فإن الطحن بالموجات فوق الصوتية مناسب لمعالجة المواد ذات الأحجام الميكرونية والنانوية، مثل السيراميك والأصباغ وكبريتات الباريوم وكربونات الكالسيوم أو أكاسيد المعادن. وتتميز المعالجة بالموجات فوق الصوتية بأداء متفوق خصوصًا في معالجة المواد النانوية، إذ تولّد قوى القص شديدة التأثير جسيمات نانوية صغيرة متجانسة الحجم.
اقرأ المزيد عن الطحن الرطب والسحق الميكروي بالموجات فوق الصوتية!

TiO2 المجفف بالرذاذ قبل الطحن بالموجات فوق الصوتية وبعده

تفكيك الخلايا وتحللها بالموجات فوق الصوتية

يمكن للمعالجة بالموجات فوق الصوتية تفتيت المواد الليفية السليلوزية إلى جسيمات دقيقة وتكسير جدران البنية الخلوية. ويؤدي ذلك إلى تحرير المزيد من المواد داخل الخلايا، مثل النشا أو السكر، في السائل. ويمكن استخدام هذا التأثير في التخمير والهضم وغيرهما من عمليات تحويل المادة العضوية. وبعد الطحن والسحق، تتيح المعالجة بالموجات فوق الصوتية المزيد من المواد داخل الخلايا، مثل النشا، وكذلك حطام جدران الخلايا، للإنزيمات التي تحوّل النشا إلى سكريات. كما تزيد مساحة السطح المعرضة للإنزيمات أثناء التسييل أو التحويل إلى سكريات. ويؤدي ذلك عادةً إلى زيادة سرعة تخمير الخميرة ومردوده، وكذلك عمليات التحويل الأخرى، مثل تعزيز إنتاج الإيثانول من الكتلة الحيوية.
اقرأ المزيد عن تفكيك البنى الخلوية بالموجات فوق الصوتية!

استخلاص المواد النباتية بالموجات فوق الصوتية

يُعد استخلاص المركبات النشطة حيويًا المخزنة في الخلايا والجسيمات دون الخلوية تطبيقًا واسع الاستخدام للموجات فوق الصوتية عالية الشدة. ويُستخدم الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية لعزل المستقلبات الثانوية (مثل البوليفينولات)، والسكريات المتعددة، والبروتينات، والزيوت العطرية، وغيرها من المكونات الفعالة من المصفوفة الخلوية للنباتات والفطريات. وتناسب المعالجة بالموجات فوق الصوتية استخلاص المركبات العضوية بالماء والمذيبات، وتُحسّن بدرجة كبيرة مردود المواد النباتية الموجودة داخل النباتات أو البذور. ويُستخدم الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية لإنتاج المستحضرات الصيدلانية والمستحضرات الغذائية العلاجية / المكملات الغذائية والعطور والإضافات الحيوية. والموجات فوق الصوتية تقنية استخلاص صديقة للبيئة تُستخدم أيضًا لاستخلاص المكونات النشطة حيويًا في المصافي الحيوية، مثل تحرير المركبات القيّمة من تيارات المنتجات الثانوية غير المستغلة الناتجة عن العمليات الصناعية. وتُعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية تقنية فعالة للغاية لاستخلاص المواد النباتية على النطاق المختبري والإنتاجي.
استكشف مزايا الاستخلاص بالموجات فوق الصوتية!

التطبيق الكيميائي الصوتي للموجات فوق الصوتية

الكيمياء الصوتية هي تطبيق الموجات فوق الصوتية على التفاعلات والعمليات الكيميائية. وتتمثل الآلية المسببة للتأثيرات الكيميائية الصوتية في السوائل في ظاهرة التجويف الصوتي. وتشمل التأثيرات الكيميائية الصوتية على التفاعلات والعمليات الكيميائية زيادة سرعة التفاعل أو ناتجه، واستخدام الطاقة بكفاءة أكبر، وتحسين أداء محفزات انتقال الطور، وتنشيط المعادن والمواد الصلبة، أو زيادة تفاعلية الكواشف أو المحفزات.
استكشف التأثيرات الكيميائية الصوتية للموجات فوق الصوتية!

الأسترة التبادلية للزيوت (المستعملة) لتحويلها إلى ديزل حيوي بالموجات فوق الصوتية

تزيد المعالجة بالموجات فوق الصوتية سرعة التفاعل الكيميائي ومردود الأسترة التبادلية للزيوت النباتية والدهون الحيوانية لتحويلها إلى ديزل حيوي. ويتيح ذلك تحويل الإنتاج من المعالجة على دفعات إلى المعالجة بالتدفق المستمر، ويقلّل تكاليف الاستثمار والتشغيل. ومن المزايا الرئيسية لتصنيع الديزل الحيوي بالموجات فوق الصوتية استخدام الزيوت المستعملة، مثل زيوت الطهي المستهلكة وغيرها من مصادر الزيت منخفضة الجودة. ويمكن للأسترة التبادلية بالموجات فوق الصوتية تحويل حتى المواد الأولية منخفضة الجودة إلى ديزل حيوي عالي الجودة (إستر ميثيل الأحماض الدهنية / FAME). ويتضمن تصنيع الديزل الحيوي من الزيوت النباتية أو الدهون الحيوانية الأسترة التبادلية للأحماض الدهنية مع الميثانول أو الإيثانول بوجود محفز قاعدي، لإنتاج إسترات الميثيل أو إسترات الإيثيل المقابلة. ويمكن للمعالجة بالموجات فوق الصوتية تحقيق مردود للديزل الحيوي يتجاوز 99%. وتقلّل الموجات فوق الصوتية زمن المعالجة وزمن الفصل بدرجة كبيرة.
انقر هنا لقراءة المزيد عن الأسترة التبادلية للزيوت بمساعدة الموجات فوق الصوتية لتحويلها إلى ديزل حيوي!

إزالة الغازات والهواء والرغوة من السوائل بالموجات فوق الصوتية

تُعد إزالة الغازات من السوائل تطبيقًا مهمًا آخر لأجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية المزودة بمسبار. وتتسبب الاهتزازات فوق الصوتية والتجويف في اندماج الغازات المذابة في السائل. ومع اندماج فقاعات الغاز الدقيقة، تتكوّن فقاعات أكبر تطفو بسرعة إلى السطح العلوي للسائل، حيث يمكن إزالتها. ولذلك، يمكن لإزالة الغازات والهواء بالموجات فوق الصوتية خفض مستوى الغاز المذاب إلى ما دون مستوى التوازن الطبيعي.
انقر هنا لقراءة المزيد عن إزالة الغازات من السوائل بالموجات فوق الصوتية!

تنظيف الأسلاك والكابلات والشرائط بالموجات فوق الصوتية

يُعد التنظيف بالموجات فوق الصوتية بديلًا صديقًا للبيئة لتنظيف المواد المستمرة، مثل الأسلاك والكابلات والأشرطة أو الأنابيب. ويزيل تأثير التجويف القوي بالموجات فوق الصوتية بقايا مواد التشحيم، مثل الزيت أو الشحم، والصابون والستيارات أو الغبار من سطح المادة. وتوفر Hielscher Ultrasonics أنظمة متنوعة بالموجات فوق الصوتية لتنظيف المقاطع المستمرة ضمن خط الإنتاج.
انقر هنا لمزيد من المعلومات عن تنظيف المقاطع المستمرة بالموجات فوق الصوتية!

ما الذي يجعل المعالجة بالموجات فوق الصوتية طريقة معالجة متفوقة؟

المعالجة بالموجات فوق الصوتية، أي استخدام موجات صوتية عالية التردد لتحريك السوائل، طريقة معالجة فعالة لأسباب متنوعة. وفيما يلي بعض الأسباب التي تجعل المعالجة بالموجات فوق الصوتية عالية الشدة ومنخفضة التردد، عند نحو 20kHz، شديدة التأثير ومفيدة على وجه الخصوص لمعالجة السوائل والمعلقات الكثيفة:

1. التجويف: إحدى الآليات الرئيسية للمعالجة بالموجات فوق الصوتية هي تكوّن فقاعات دقيقة وانهيارها، وهي ظاهرة تُسمى التجويف. وعند 20kHz، يكون تردد الموجات الصوتية مناسبًا تمامًا لتكوين الفقاعات وانهيارها بكفاءة. ويولّد انهيار هذه الفقاعات موجات صدمية عالية الطاقة يمكنها تفتيت الجسيمات وتفكيك الخلايا في السائل الذي يخضع للمعالجة بالموجات فوق الصوتية.
2. التذبذب والاهتزاز: إلى جانب التجويف الصوتي المتولّد، يؤدي تذبذب المسبار فوق الصوتي إلى تحريك وخلط إضافيين في السائل، مما يعزز انتقال الكتلة و/أو إزالة الغازات.
3. الاختراق: تتميز الموجات الصوتية عند 20kHz بطول موجي طويل نسبيًا، مما يتيح لها الاختراق بعمق في السوائل. والتجويف فوق الصوتي ظاهرة موضعية تظهر حول المسبار فوق الصوتي. وتتناقص شدة التجويف مع زيادة المسافة عن المسبار. ومع ذلك، يمكن للمعالجة بالموجات فوق الصوتية عند 20kHz معالجة أحجام أكبر من السوائل بكفاءة، مقارنةً بالمعالجة بالموجات فوق الصوتية ذات التردد الأعلى، التي تتميز بأطوال موجية أقصر وقد يكون عمق اختراقها أكثر محدودية.
4. انخفاض استهلاك الطاقة: يمكن إجراء المعالجة بالموجات فوق الصوتية باستهلاك منخفض نسبيًا للطاقة مقارنةً بطرق المعالجة الأخرى، مثل التجانس عالي الضغط أو التحريك الميكانيكي. وهذا يجعلها طريقة أكثر كفاءة في استخدام الطاقة وأكثر جدوى من حيث التكلفة لمعالجة السوائل.
5. قابلية التوسع الخطي: يمكن توسيع نطاق العمليات بالموجات فوق الصوتية أو تقليصه إلى أحجام أكبر أو أصغر بصورة خطية تمامًا. ويجعل ذلك تكييف العمليات في الإنتاج موثوقًا، إذ يمكن الحفاظ على استقرار جودة المنتج باستمرار.
6. الدفعات والتدفق ضمن خط الإنتاج: يمكن إجراء المعالجة بالموجات فوق الصوتية على دفعات أو بوصفها عمليات مستمرة ضمن خط الإنتاج. ولمعالجة الدفعات بالموجات فوق الصوتية، يُدخل المسبار فوق الصوتي في الوعاء المفتوح أو مفاعل الدفعات المغلق. ولمعالجة تيار تدفق مستمر بالموجات فوق الصوتية، تُركّب خلية التدفق فوق الصوتية. ويمر الوسط السائل بجوار السونوترود (قضيب يهتز بالموجات فوق الصوتية) في مرور واحد أو مع إعادة التدوير، ويتعرض للموجات فوق الصوتية بدرجة عالية من التجانس والكفاءة.

بوجه عام، تجعل قوى التجويف الشديدة وانخفاض استهلاك الطاقة وقابلية توسيع نطاق العملية المعالجة بالموجات فوق الصوتية منخفضة التردد وعالية القدرة طريقة فعالة لمعالجة السوائل.

مبدأ عمل المعالجة بالموجات فوق الصوتية واستخدامها

المعالجة بالموجات فوق الصوتية تقنية معالجة تجارية اعتمدتها صناعات عديدة للإنتاج واسع النطاق. وتجعل الموثوقية العالية وقابلية التوسع، إلى جانب انخفاض تكاليف الصيانة وكفاءة الطاقة العالية، أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية بديلًا جيدًا لمعدات معالجة السوائل التقليدية. وتوفر الموجات فوق الصوتية فرصًا إضافية مثيرة للاهتمام: فالتجويف – التأثير الأساسي للموجات فوق الصوتية – يحقق نتائج فريدة في العمليات الحيوية والكيميائية والفيزيائية. فعلى سبيل المثال، يتيح التشتيت والاستحلاب بالموجات فوق الصوتية إنتاج تركيبات مستقرة ذات أحجام نانوية بسهولة. وفي مجال استخلاص المواد النباتية أيضًا، تُعد الموجات فوق الصوتية تقنية غير حرارية لعزل المركبات النشطة حيويًا.

يعتمد الخلط بالموجات فوق الصوتية على التجويف الصوتي وقوى القص الهيدروديناميكية الناتجة عنه.

بينما تُستخدم الموجات فوق الصوتية منخفضة الشدة أو عالية التردد أساسًا للتحليل والاختبارات غير الإتلافية والتصوير، تُستخدم الموجات فوق الصوتية عالية الشدة لمعالجة السوائل والعجائن، حيث تُستخدم الموجات فوق الصوتية الشديدة للخلط والاستحلاب والتشتيت وتفكيك التكتلات وتفكيك الخلايا أو تعطيل الإنزيمات. وعند معالجة السوائل بالموجات فوق الصوتية بشدة عالية، تنتشر الموجات الصوتية عبر الأوساط السائلة. وينتج عن ذلك تعاقب دورات الضغط العالي (الانضغاط) والضغط المنخفض (التخلخل)، بمعدلات تعتمد على التردد. وخلال دورة الضغط المنخفض، تكوّن الموجات فوق الصوتية عالية الشدة فقاعات فراغية صغيرة أو فجوات في السائل. وعندما تصل الفقاعات إلى حجم لا تعود معه قادرة على امتصاص الطاقة، تنهار بعنف خلال دورة ضغط عالٍ. وتُسمى هذه الظاهرة التجويف. وخلال الانهيار إلى الداخل، تتحقق موضعيًا درجات حرارة مرتفعة جدًا (نحو 5,000K) وضغوط مرتفعة جدًا (نحو 2,000atm). كما ينتج عن انهيار فقاعة التجويف إلى الداخل نفاثات سائلة تصل سرعتها إلى 280 مترًا في الثانية.

يمكن للتجويف فوق الصوتي في السوائل أن يؤدي إلى إزالة سريعة وكاملة للغازات؛ وبدء تفاعلات كيميائية متنوعة بتوليد أيونات كيميائية حرة (جذور حرة)؛ وتسريع التفاعلات الكيميائية بتسهيل خلط المتفاعلات؛ وتعزيز تفاعلات البلمرة وإزالة البلمرة بتشتيت التجمعات أو بكسر الروابط الكيميائية في السلاسل البوليمرية بصورة دائمة؛ وزيادة معدلات الاستحلاب؛ وتحسين معدلات الانتشار؛ وإنتاج مستحلبات عالية التركيز أو مشتتات متجانسة لمواد ذات أحجام ميكرونية أو نانوية؛ والمساعدة في استخلاص مواد مثل الإنزيمات من الخلايا الحيوانية أو النباتية أو خلايا الخمائر أو البكتيريا؛ وإزالة الفيروسات من الأنسجة المصابة؛ وأخيرًا، إحداث تآكل وتفتيت للجسيمات القابلة للتأثر، بما فيها الكائنات الحية الدقيقة. (راجع Kuldiloke 2002)

تُحدث الموجات فوق الصوتية عالية الشدة تحريكًا عنيفًا في السوائل منخفضة اللزوجة، ويمكن استخدامه لتشتيت المواد في السوائل. (راجع Ensminger, 1988) وعند الواجهات البينية سائل/صلب أو غاز/صلب، يمكن للانهيار غير المتماثل لفقاعات التجويف إلى الداخل أن يُحدث اضطرابات شديدة تقلّل الطبقة الحدية للانتشار، وتزيد انتقال الكتلة بالحمل، وتسرّع الانتشار بدرجة كبيرة في الأنظمة التي لا يمكن فيها إجراء الخلط المعتاد. (راجع Nyborg, 1965)

المراجع

• Seyed Mohammad Mohsen Modarres-Gheisari, Roghayeh Gavagsaz-Ghoachani, Massoud Malaki, Pedram Safarpour, Majid Zandi (2019): Ultrasonic nano-emulsification – A review. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 52, 2019. 88-105.
• Suslick, Kenneth S.; Hyeon, Taeghwan; Fang, Mingming; Cichowlas, Andrzej A. (1995): Sonochemical synthesis of nanostructured catalysts. Materials Science and Engineering: A. Proceedings of the Symposium on Engineering of Nanostructured Materials. ScienceDirect 204 (1–2): 186–192.
• Brad W. Zeiger; Kenneth S. Suslick (2011): Sonofragmentation of Molecular Crystals. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 37, 14530–14533.
• Petigny L., Périno-Issartier S., Wajsman J., Chemat F. (2013): Batch and Continuous Ultrasound Assisted Extraction of Boldo Leaves (Peumus boldus Mol.). International Journal of Molecular Science 14, 2013. 5750-5764.
• Ensminger, D. E. (1988): Acoustic and electroacoustic methods of dewatering and drying, in: Drying Tech. 6, 473 (1988).
• Kuldiloke, J. (2002): Effect of Ultrasound, Temperature and Pressure Treatments on Enzyme Activity an Quality Indicators of Fruit and Vegetable Juices; Ph.D. Thesis at Technische Universität Berlin (2002).
• Nyborg, W.L. (1965): Acoustic Streaming, Vol. 2B, Academic Press, New York (1965).