Mayelərin, qatı hissəcikli suspenziyaların və kimyəvi reaksiyaların ultrasəslə emalı

Ultrasəslə emal akustik kavitasiya və olduqca intensiv fiziki qüvvələr yaradan mexaniki emal üsuludur. Buna görə də ultrasəs qarışdırma, homogenləşdirmə, üyütmə, dispersləşdirmə, emulsiyalaşdırma, ekstraksiya, qazsızlaşdırma və sonokimyəvi reaksiyalar kimi çoxsaylı tətbiqlərdə istifadə olunur.

Aşağıdakı cədvəldə tətbiqinizi tapın, keçidə klikləyin və birbaşa maraqlandığınız prosesə keçin! Ultrasəslə emalın prosesi və onun səmərəliliyini necə yaxşılaşdırdığını öyrənin.

Ultrasəslə homogenləşdirmə

Ultrasəs homogenizatorları bircinsliyi və dispersiyanın sabitliyini yaxşılaşdırmaq üçün mayedəki kiçik hissəciklərin ölçüsünü azaldır. Hissəciklər (dispers faza) maye fazada asılı vəziyyətdə olan bərk maddələr və ya maye damcıları ola bilər. Ultrasəslə homogenləşdirmə yumşaq və sərt hissəciklərin ölçüsünün kiçildilməsi üçün çox səmərəlidir. Hielscher istənilən həcmdə mayenin homogenləşdirilməsi, eləcə də partiyalarla və ya axında emalı üçün ultrasəs cihazları istehsal edir. Laboratoriya ultrasəs cihazları 1,5mL-dən təxminən 4L-ə qədər həcmlər üçün istifadə oluna bilər. Sənaye ultrasəs cihazları proseslərin hazırlanmasında və kommersiya istehsalında 0,5-dən təxminən 2000L-ə qədər partiyaları və ya 0,1L-dən saatda 20 kubmetrə qədər axın sərfi ilə mayeləri emal edə bilər.
Ultrasəslə homogenləşdirmənin gücünü kəşf edin!

Ultrasəslə dispersləşdirmə və deaqlomerasiya

Bərk maddələrin mayelərdə dispersləşdirilməsi və deaqlomerasiyası zond tipli ultrasəs cihazlarının mühüm tətbiqlərindən biridir. Ultrasəs / akustik kavitasiya hissəcik aqlomeratlarını ayrı-ayrı, tək dispersləşmiş hissəciklərə parçalayan yüksək kəsilmə qüvvələri yaradır. Tozların mayelərlə qarışdırılması boya, lak, kosmetik məhsullar, qida və içkilər və ya cilalama vasitələri kimi müxtəlif məhsulların formulyasiyalarının hazırlanmasında geniş yayılmış mərhələdir. Ayrı-ayrı hissəciklər van der Vaals qüvvələri və mayenin səthi gərilməsi də daxil olmaqla müxtəlif fiziki və kimyəvi təbiətli cazibə qüvvələri ilə bir yerdə saxlanılır. Ultrasəslə emal hissəcikləri maye mühitlərdə deaqlomerasiya etmək və dispersləşdirmək üçün bu cazibə qüvvələrini dəf edir. Tozların mayelərdə dispersləşdirilməsi və deaqlomerasiyası üçün yüksək intensivlikli ultrasəslə emal yüksək təzyiqli homogenizatorlara, yüksək kəsilmə təsirli qarışdırıcılara, muncuqlu dəyirmanlara və ya rotor-stator qarışdırıcılarına maraqlı alternativdir.
Ultrasəslə dispersləşdirmə və deaqlomerasiya haqqında ətraflı məlumat əldə edin!

Ultrasəslə emulsiyalaşdırma

Kosmetika və dəri losyonları, əczaçılıq məlhəmləri, laklar, boyalar, sürtkü materialları və yanacaqlar kimi geniş çeşidli aralıq və istehlak məhsulları tamamilə və ya qismən emulsiyalara əsaslanır. Emulsiyalar bir-biri ilə qarışmayan iki və ya daha çox maye fazanın dispersiyalarıdır. Yüksək intensivlikli ultrasəs maye fazanı (dispers fazanı) ikinci fazada (fasiləsiz fazada) kiçik damcılar şəklində dispersləşdirmək üçün kifayət qədər güclü kəsilmə təsiri təmin edir. Dispersləşdirmə zonasında daxilə çökən kavitasiya qabarcıqları ətrafdakı mayedə intensiv zərbə dalğaları yaradır və yüksək sürətli maye şırnaqlarının (yüksək kəsilmə təsirinin) yaranmasına səbəb olur. Ultrasəslə emal hədəflənən emulsiya ölçüsünə dəqiq uyğunlaşdırıla bilər və bununla da mikroemulsiyaların və nanoemulsiyaların etibarlı istehsalını təmin edir.
Ultrasəslə emulsiyalaşdırma haqqında daha çox oxumaq üçün buraya klikləyin!

Ultrasəslə yaş üyütmə və xırdalama

Ultrasəslə emal hissəciklərin yaş üyüdülməsi və mikroxırdalanması üçün səmərəli vasitədir. Xüsusilə çox incə hissəcikli suspenziyaların istehsalında ultrasəsin bir çox üstünlükləri var. O, kolloid dəyirmanlar (məsələn, kürəli dəyirmanlar, muncuqlu dəyirmanlar), diskli dəyirmanlar və ya şırnaqlı dəyirmanlar kimi ənənəvi ölçükiçiltmə avadanlıqlarından üstündür. Ultrasəslə emal yüksək konsentrasiyalı və yüksək özlülüklü qatı hissəcikli suspenziyaları emal edə bilir – bununla da emal ediləcək həcmi azaldır. Əlbəttə, ultrasəslə üyütmə keramika, piqmentlər, barium sulfat, kalsium karbonat və ya metal oksidləri kimi mikron və nanoölçülü materialların emalı üçün uyğundur. Xüsusilə nanomateriallara gəldikdə, ultrasəslə emal yüksək təsirli kəsilmə qüvvələri sayəsində eyni dərəcədə kiçik nanohissəciklər yaratdığı üçün məhsuldarlığı ilə seçilir.
Ultrasəslə yaş üyütmə və mikroxırdalama haqqında daha çox oxuyun!

Ultrasəslə üyütmədən əvvəl və sonra püskürtmə ilə qurudulmuş TiO2

Ultrasəslə hüceyrələrin parçalanması və lizisi

Ultrasəslə emal lifli, sellülozalı materialı incə hissəciklərə parçalaya və hüceyrə strukturunun divarlarını dağıda bilər. Bu, nişasta və ya şəkər kimi hüceyrədaxili materialın daha çox hissəsini mayeyə buraxır. Bu təsirdən üzvi maddələrin fermentasiyası, həzm edilməsi və digər çevrilmə proseslərində istifadə oluna bilər. Üyütmə və xırdalamadan sonra ultrasəslə emal nişasta kimi hüceyrədaxili materialın daha çox hissəsini, eləcə də hüceyrə divarının qalıqlarını nişastanı şəkərlərə çevirən fermentlər üçün əlçatan edir. O, həmçinin mayeləşdirmə və ya şəkərləşdirmə zamanı fermentlərin təsirinə məruz qalan səthin sahəsini artırır. Bu, adətən maya fermentasiyasının və digər çevrilmə proseslərinin sürətini və çıxımını artırır, məsələn, biokütlədən etanol istehsalını yüksəldir.
Hüceyrə strukturlarının ultrasəslə parçalanması haqqında daha çox oxuyun!

Bitki mənşəli maddələrin ultrasəslə ekstraksiyası

Hüceyrələrdə və hüceyrəaltı hissəciklərdə toplanmış bioaktiv birləşmələrin ekstraksiyası yüksək intensivlikli ultrasəsin geniş istifadə olunan tətbiqlərindəndir. Ultrasəslə ekstraksiya bitkilərin və göbələklərin hüceyrə matrisindən ikincili metabolitləri (məsələn, polifenolları), polisaxaridləri, zülalları, efir yağlarını və digər aktiv maddələri ayırmaq üçün istifadə olunur. Üzvi birləşmələrin su və həlledicilərlə ekstraksiyası üçün uyğun olan ultrasəslə emal bitkilərin və ya toxumların tərkibindəki bitki mənşəli maddələrin çıxımını əhəmiyyətli dərəcədə artırır. Ultrasəslə ekstraksiya əczaçılıq məhsullarının, nutrasevtiklərin / qida əlavələrinin, ətirli maddələrin və bioloji əlavələrin istehsalında istifadə olunur. Ultrasəs ekoloji cəhətdən təmiz ekstraksiya üsuludur və bioemal müəssisələrində bioaktiv komponentlərin ekstraksiyası üçün də istifadə olunur, məsələn, sənaye proseslərində yaranan və istifadə olunmayan yan məhsul axınlarından qiymətli birləşmələri ayırır. Ultrasəslə emal laboratoriya və istehsal miqyasında bitki mənşəli maddələrin ekstraksiyası üçün yüksək dərəcədə effektiv texnologiyadır.
Ultrasəslə ekstraksiyanın üstünlüklərini araşdırın!

Ultrasəsin sonokimyəvi tətbiqi

Sonokimya ultrasəsin kimyəvi reaksiyalara və proseslərə tətbiqidir. Mayelərdə sonokimyəvi təsirləri yaradan mexanizm akustik kavitasiya hadisəsidir. Kimyəvi reaksiyalara və proseslərə sonokimyəvi təsirlər reaksiyanın sürətinin və ya çıxımının artmasını, enerjidən daha səmərəli istifadəni, fazalararası köçürmə katalizatorlarının fəaliyyətinin yaxşılaşmasını, metalların və bərk maddələrin aktivləşdirilməsini və ya reagentlərin və katalizatorların reaktivliyinin artmasını əhatə edir.
Ultrasəsin sonokimyəvi təsirlərini araşdırın!

(Tullantı) yağın biodizelə ultrasəslə transesterifikasiyası

Ultrasəslə emal bitki yağlarının və heyvan piylərinin biodizelə transesterifikasiyasında kimyəvi reaksiyanın sürətini və çıxımını artırır. Bu, istehsalı partiyalarla emaldan fasiləsiz axında emala keçirməyə imkan verir və investisiya və istismar xərclərini azaldır. Ultrasəslə biodizel istehsalının əsas üstünlüklərindən biri işlənmiş yemək yağları və digər aşağı keyfiyyətli yağ mənbələri kimi tullantı yağlardan istifadə edilməsidir. Ultrasəslə transesterifikasiya hətta aşağı keyfiyyətli xammalı da yüksək keyfiyyətli biodizelə (yağ turşusunun metil efiri / FAME) çevirə bilər. Bitki yağlarından və ya heyvan piylərindən biodizel istehsalı müvafiq metil efirləri və ya etil efirlərini əldə etmək üçün yağ turşularının metanol və ya etanolla əsasla katalizləşdirilən transesterifikasiyasını əhatə edir. Ultrasəslə emal 99%-dən artıq biodizel çıxımına nail ola bilər. Ultrasəs emal və ayırma müddətini əhəmiyyətli dərəcədə azaldır.
Yağın biodizelə ultrasəs dəstəyi ilə transesterifikasiyası haqqında daha çox oxumaq üçün buraya klikləyin!

Mayelərin ultrasəslə qazsızlaşdırılması, havasızlaşdırılması və köpüksüzləşdirilməsi

Mayelərin qazsızlaşdırılması zond tipli ultrasəs cihazlarının digər mühüm tətbiqidir. Ultrasəs titrəyişləri və kavitasiya mayedə həll olmuş qazların birləşməsinə səbəb olur. Kiçik qaz qabarcıqları birləşdikcə daha böyük qabarcıqlar əmələ gətirir və bunlar sürətlə mayenin üst səthinə qalxır; oradan isə çıxarıla bilər. Beləliklə, ultrasəslə qazsızlaşdırma və havasızlaşdırma həll olmuş qazın səviyyəsini təbii tarazlıq səviyyəsindən aşağı sala bilər.
Mayelərin ultrasəslə qazsızlaşdırılması haqqında daha çox oxumaq üçün buraya klikləyin!

Məftillərin, kabellərin və zolaqların ultrasəslə təmizlənməsi

Ultrasəslə təmizləmə məftil və kabel, lent və ya borular kimi fasiləsiz materialların təmizlənməsi üçün ekoloji cəhətdən təmiz alternativdir. Güclü ultrasəs kavitasiyasının təsiri materialın səthindən yağ və ya plastik sürtkü kimi sürtkü qalıqlarını, sabunları, stearatları və ya tozu təmizləyir. Hielscher Ultrasonics fasiləsiz profillərin istehsal xəttində təmizlənməsi üçün müxtəlif ultrasəs sistemləri təklif edir.
Fasiləsiz profillərin ultrasəslə təmizlənməsi haqqında daha çox məlumat üçün buraya klikləyin!

Ultrasəslə emalı üstün emal üsuluna çevirən nədir?

Ultrasəslə emal, yəni mayeləri hərəkətə gətirmək üçün yüksək tezlikli səs dalğalarından istifadə, müxtəlif səbəblərə görə səmərəli emal üsuludur. Təxminən 20kHz aşağı tezlikdə və yüksək intensivlikdə ultrasəslə emalın mayelərin və qatı hissəcikli suspenziyaların emalı üçün xüsusilə təsirli və üstün olmasının bəzi səbəbləri bunlardır:

1. Kavitasiya: Ultrasəslə emalın əsas mexanizmlərindən biri kiçik qabarcıqların yaranması və çökməsidir; bu hadisə kavitasiya adlanır. 20kHz-də səs dalğaları qabarcıqları səmərəli şəkildə yaratmaq və çökdürmək üçün məhz uyğun tezlikdə olur. Bu qabarcıqların çökməsi yüksək enerjili zərbə dalğaları yaradır və həmin dalğalar ultrasəslə emal olunan mayedə hissəcikləri parçalaya və hüceyrələri dağıda bilər.
2. Rəqsi hərəkət və titrəyiş: Yaranan akustik kavitasiyadan əlavə, ultrasəs zondunun rəqsi hərəkəti mayedə əlavə hərəkət və qarışma yaradır, bununla da kütlə ötürülməsini və/və ya qazsızlaşdırmanı təşviq edir.
3. Nüfuzetmə: 20kHz tezlikli səs dalğaları nisbətən uzun dalğa uzunluğuna malikdir və bu, onların mayelərin dərinliyinə nüfuz etməsinə imkan verir. Ultrasəs kavitasiyası ultrasəs zondunun ətrafında meydana çıxan lokal hadisədir. Zonddan məsafə artdıqca kavitasiyanın intensivliyi azalır. Bununla belə, 20kHz-də ultrasəslə emal daha qısa dalğa uzunluqlarına malik olan və nüfuzetmə dərinliyi daha məhdud ola bilən yüksək tezlikli ultrasəslə emalla müqayisədə daha böyük maye həcmlərini səmərəli şəkildə emal edə bilər.
4. Aşağı enerji sərfi: Ultrasəslə emal yüksək təzyiqli homogenləşdirmə və ya mexaniki qarışdırma kimi digər emal üsulları ilə müqayisədə nisbətən aşağı enerji sərfi ilə həyata keçirilə bilər. Bu, onu mayelərin emalı üçün enerji baxımından daha səmərəli və iqtisadi cəhətdən daha sərfəli üsula çevirir.
5. Xətti miqyaslandırma: Ultrasəs prosesləri daha böyük və ya daha kiçik həcmlərə tam xətti şəkildə miqyaslandırıla bilər. Bu, istehsalda prosesə uyğunlaşdırmaları etibarlı edir, çünki məhsulun keyfiyyəti davamlı olaraq sabit saxlanıla bilər.
6. Partiyalarla və fasiləsiz axında emal: Ultrasəslə emal partiyalarla və ya fasiləsiz axın prosesləri şəklində həyata keçirilə bilər. Partiyaların ultrasəslə emalı üçün ultrasəs zondu açıq qaba və ya qapalı partiya reaktoruna daxil edilir. Fasiləsiz axının ultrasəslə emalı üçün ultrasəs axın kamerası quraşdırılır. Maye mühit sonotrodanın (ultrasəs tezliyində titrəyən çubuğun) yanından bir keçiddə və ya resirkulyasiya ilə keçir və ultrasəs dalğalarının təsirinə olduqca bərabər və səmərəli şəkildə məruz qalır.

Ümumilikdə, kavitasiyanın intensiv qüvvələri, aşağı enerji sərfi və prosesin miqyaslandırıla bilməsi aşağı tezlikli, yüksək güclü ultrasəslə emalı mayelərin emalı üçün səmərəli üsula çevirir.

Ultrasəslə emalın iş prinsipi və istifadəsi

Ultrasəslə emal iri miqyaslı istehsal üçün çoxsaylı sənaye sahələrində qəbul edilmiş kommersiya emal texnologiyasıdır. Yüksək etibarlılıq və miqyaslandırıla bilmə, eləcə də aşağı texniki xidmət xərcləri və yüksək enerji səmərəliliyi ultrasəs prosessorlarını ənənəvi maye emalı avadanlıqlarına yaxşı alternativ edir. Ultrasəs əlavə maraqlı imkanlar təqdim edir: əsas ultrasəs təsiri olan kavitasiya bioloji, kimyəvi və fiziki proseslərdə unikal nəticələr verir. Məsələn, ultrasəslə dispersləşdirmə və emulsiyalaşdırma sabit nanoölçülü formulyasiyaları asanlıqla yaradır. Bitki mənşəli maddələrin ekstraksiyası sahəsində də ultrasəs bioaktiv birləşmələri ayırmaq üçün qeyri-termik üsuldur.

Ultrasəslə qarışdırma akustik kavitasiyaya və onun hidrodinamik kəsilmə qüvvələrinə əsaslanır.

Aşağı intensivlikli və ya yüksək tezlikli ultrasəs əsasən analiz, dağıdıcı olmayan sınaqlar və görüntüləmə üçün istifadə olunduğu halda, yüksək intensivlikli ultrasəs mayelərin və pastaların emalı üçün istifadə olunur; burada intensiv ultrasəs dalğaları qarışdırma, emulsiyalaşdırma, dispersləşdirmə və deaqlomerasiya, hüceyrələrin parçalanması və ya fermentlərin deaktivləşdirilməsi üçün tətbiq edilir. Mayelər yüksək intensivlikdə ultrasəslə emal edilərkən səs dalğaları maye mühitlərdə yayılır. Bu, tezlikdən asılı təkrarlanma sürəti ilə növbələşən yüksək təzyiq (sıxılma) və aşağı təzyiq (seyrəkləşmə) dövrləri yaradır. Aşağı təzyiq dövründə yüksək intensivlikli ultrasəs dalğaları mayedə kiçik vakuum qabarcıqları və ya boşluqlar yaradır. Qabarcıqlar artıq enerji uda bilmədikləri həcmə çatdıqda yüksək təzyiq dövründə şiddətlə çökür. Bu hadisə kavitasiya adlanır. Daxilə çökmə zamanı lokal olaraq çox yüksək temperaturlara (təxminən 5.000K) və təzyiqlərə (təxminən 2.000atm) çatılır. Kavitasiya qabarcığının daxilə çökməsi həmçinin sürəti saniyədə 280 metrə qədər olan maye şırnaqları yaradır.

Mayelərdə ultrasəs kavitasiyası sürətli və tam qazsızlaşdırmaya səbəb ola bilər; sərbəst kimyəvi ionlar (radikallar) yaradaraq müxtəlif kimyəvi reaksiyaları başlada bilər; reaksiya iştirakçılarının qarışmasını asanlaşdıraraq kimyəvi reaksiyaları sürətləndirə bilər; aqreqatları dispersləşdirərək və ya polimer zəncirlərindəki kimyəvi rabitələri daimi olaraq qıraraq polimerləşmə və depolimerləşmə reaksiyalarını gücləndirə bilər; emulsiyalaşdırma sürətini artıra bilər; diffuziya sürətini yaxşılaşdıra bilər; yüksək konsentrasiyalı emulsiyalar və ya mikron və nanoölçülü materialların bircins dispersiyalarını yarada bilər; heyvan, bitki, maya və ya bakteriya hüceyrələrindən fermentlər kimi maddələrin ekstraksiyasına kömək edə bilər; yoluxmuş toxumadan virusları çıxara bilər; və nəhayət, mikroorqanizmlər də daxil olmaqla təsirə həssas hissəcikləri aşındıra və parçalaya bilər. (bax: Kuldiloke 2002)

Yüksək intensivlikli ultrasəs aşağı özlülüklü mayelərdə güclü hərəkət yaradır və bundan materialları mayelərdə dispersləşdirmək üçün istifadə oluna bilər. (bax: Ensminger, 1988) Maye/bərk maddə və ya qaz/bərk maddə sərhədlərində kavitasiya qabarcıqlarının asimmetrik daxilə çökməsi diffuziya sərhəd qatını azaldan, konvektiv kütlə ötürülməsini artıran və adi qarışdırmanın mümkün olmadığı sistemlərdə diffuziyanı əhəmiyyətli dərəcədə sürətləndirən son dərəcə güclü turbulentlik yarada bilər. (bax: Nyborg, 1965)

Ədəbiyyat

• 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).