Mayelərdə ultrasəs kavitasiyası
Ultrasəs kavitasiyası mayelərin yüksək intensivlikli ultrasəslə emalının hərəkətverici qüvvəsidir. Güclü ultrasəs mayeyə ötürüldükdə mikroskopik buxar qabarcıqları əmələ gəlir, böyüyür və şiddətlə çökür. Bu akustik kavitasiya homogenləşdirmə, dispersləşdirmə, emulsiyalaşdırma, ekstraksiya, qazsızlaşdırma, hüceyrələrin parçalanması və sonokimyəvi reaksiyaları sürətləndirə bilən güclü lokal sürüşmə qüvvələri, mikroşırnaqlar, zərbə dalğaları, təzyiq dəyişiklikləri və mikroqarışdırma təsirləri yaradır.
Hielscher zond tipli sonikatorları ultrasəs enerjisini birbaşa mayelərə, suspenziyalara və şlamlara ötürmək üçün idarə olunan akustik kavitasiyadan istifadə edir. Kiçik laboratoriya nümunələrindən fasiləsiz axınlı sənaye istehsalına qədər Hielscher sistemləri təkrarlana bilən kavitasiya nəticələri əldə etmək üçün amplitudanı, sonotrodun həndəsəsini, təzyiqi, temperaturu, axın sərfini və qalma müddətini tənzimləməyə imkan verir.
- Laboratoriyalar üçün: kiçik həcmlərdə ultrasəslə emal parametrlərini işləyib hazırlayın və optimallaşdırın.
- Pilot qurğular üçün: kavitasiyaya əsaslanan prosesləri real emal şəraitində doğrulayın.
- İstehsal üçün: ultrasəs kavitasiyasını partiyalarla, resirkulyasiya və ya fasiləsiz axın xəttində aparılan proseslərə miqyaslandırın.
Mayeniz, partiyanın həcmi və ya axın sərfi, özlülük, bərk maddə miqdarı, temperatur hədləri və prosesin hədəf nəticəsi barədə bizə məlumat verin. Kavitasiya tətbiqiniz üçün optimal sonikator, sonotrod və axın kamerası konfiqurasiyasını tövsiyə edəcəyik.
UP400St kimi zond tipli sonikatorlar akustik kavitasiyanın iş prinsipindən istifadə edir.
Ultrasəs kavitasiyasının iş prinsipi
Mayelər yüksək intensivlikli ultrasəslə emal edilərkən maye mühitdə yayılan səs dalğaları tezlikdən asılı sürətlə 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. İmplozisiya zamanı lokal olaraq çox yüksək temperaturlara (təqribən 5.000K) və təzyiqlərə (təqribən 2.000atm) çatılır. Kavitasiya qabarcığının implozisiyası həmçinin sürəti 280m/s-ə qədər olan maye şırnaqları yaradır.
Akustik kavitasiya (güclü ultrasəs vasitəsilə yaradılan) lokal olaraq ekstremal şərait, sonomexaniki və sonokimyəvi təsirlər adlanan təsirlər yaradır. Bu təsirlər sayəsində ultrasəslə emal daha yüksək məhsul çıxımına, daha sürətli reaksiyalara, yeni reaksiya yollarına və ümumi səmərəliliyin artmasına gətirib çıxaran kimyəvi reaksiyaları təşviq edir.
Zond tipli sonikator, yoxsa ultrasəs vannası: hansı kavitasiya üsulu uyğundur?
Həm zond tipli sonikatorlar, həm də ultrasəs vannaları akustik kavitasiya yaradır, lakin intensivlik, idarəetmə və prosesin etibarlılığı baxımından əhəmiyyətli dərəcədə fərqlənir. Ultrasəs vannaları təmizləmə üçün faydalı olduğu halda, zond tipli sonikatorlar ultrasəs enerjisini birbaşa mayeyə ötürür və daha güclü, cəmlənmiş kavitasiya zonası yaradır. Bu, zond tipli sonikatorları homogenləşdirmə, emulsiyalaşdırma, ekstraksiya, hüceyrələrin parçalanması, nanohissəciklərin dispersləşdirilməsi və sonokimyəvi reaksiyalar kimi təkrarlana bilən maye emalı tətbiqləri üçün üstünlük verilən seçimə çevirir.
| Müqayisə meyarları | Zond tipli sonikator | Ultrasəs vannası |
|---|---|---|
| Kavitasiyanın intensivliyi | Birbaşa sonotrodun ucunda yüksək intensivlikli akustik kavitasiya yaradır. | Vannanın həcmi boyunca paylanan daha zəif kavitasiya yaradır. |
| Enerjinin ötürülməsi | Ultrasəs enerjisini birbaşa mayeyə, suspenziyaya və ya şlama ötürür. | Enerjini vannanın mayesi və qabın divarı vasitəsilə dolayı yolla ötürür. |
| Prosesin idarə edilməsi | Amplitudanın, verilən gücün, impuls rejiminin, temperaturun və emal müddətinin dəqiq tənzimlənməsinə imkan verir. | Nümunəyə faktiki çatan ultrasəs enerjisinə məhdud nəzarət imkanı verir. |
| Təkrarlanma qabiliyyəti | Proses parametrləri müəyyən edildikdə və izlənildikdə ultrasəslə emalın təkrarlana bilən nəticələrini təmin edir. | Kavitasiyanın qeyri-bərabər paylanması, qabın mövqeyi, qabın materialı, doldurulma səviyyəsi və vannanın yüklənməsi səbəbindən nəticələr dəyişə bilər. |
| Emal səmərəliliyi | Homogenləşdirmə, dispersləşdirmə, emulsiyalaşdırma, ekstraksiya, hüceyrələrin parçalanması və sonokimya üçün yüksək səmərəlidir. | Əsasən təmizləmə üçün uyğundur. |
| Nümunənin həcmi | Həm kiçik laboratoriya nümunələri, həm də pilot və sənaye həcmləri üçün mövcuddur. | Adətən vannanın içərisinə yerləşdirilən kiçik qablar və ya bir neçə konteyner üçün istifadə olunur. |
| Miqyasın artırılması | Laboratoriya testlərindən pilot sınaqlara və fasiləsiz sənaye axın xəttində emala qədər miqyası artırıla bilər. | Enerjinin paylanmasını və kavitasiyanın intensivliyini asanlıqla digər miqyasa köçürmək mümkün olmadığından miqyasın etibarlı şəkildə artırılması çətindir. |
| Uyğun mühitlər | Mayelər, emulsiyalar, suspenziyalar, şlamlar və yüksək bərk maddə tərkibli formulalar üçün effektivdir. | Aşağı özlülüklü mayelər və sadə təmizləmə və ya qazsızlaşdırma işləri üçün ən uyğundur. |
| Tipik tətbiqlər | Nanohissəciklərin dispersləşdirilməsi, nanoemulsiyalar, ekstraksiya, hüceyrə lizisi, homogenləşdirmə, deaqqlomerasiya, yaş üyütmə və sonokimyəvi reaksiyalar. | Şüşə qabların təmizlənməsi, mayelərin qazsızlaşdırılması, tozların həll edilməsi və nümunələrin yüngül çalxalanması. |
| Ən yaxşı seçim olduğu tətbiqlər | Mayelərin idarə olunan, güclü və təkrarlana bilən ultrasəslə emalı. | Sadə təmizləmə və ya aşağı intensivlikli ultrasəslə emal. |
Sonikatorların və akustik kavitasiyanın əsas tətbiqləri
Ultrasəs zondları kimi də tanınan zond tipli ultrasəs cihazları mayelərdə güclü akustik kavitasiyanı səmərəli şəkildə yaradır. Buna görə də onlar müxtəlif sənaye sahələrində müxtəlif tətbiqlərdə geniş istifadə olunur. Zond tipli ultrasəs cihazlarının yaratdığı akustik kavitasiyanın ən mühüm tətbiqlərindən bəziləri bunlardır:
- Homogenləşdirmə: Ultrasəs zondları enerji sıxlığı yüksək olan vibrasiya və sürüşmə qüvvələri sahəsi kimi xarakterizə edilən güclü kavitasiya yarada bilər. Bu qüvvələr əla qarışdırma, qarışıq hazırlama və hissəcik ölçüsünün kiçildilməsini təmin edir. Ultrasəslə homogenləşdirmə bərabər qarışdırılmış suspenziyalar yaradır. Buna görə də ultrasəslə emal dar paylanma əyrilərinə malik homogen kolloid suspenziya hazırlamaq üçün istifadə olunur.
- Nanohissəciklərin dispersləşdirilməsi: Ultrasəs cihazları nanohissəciklərin dispersləşdirilməsi, deaqqlomerasiyası və yaş üyüdülməsi üçün istifadə olunur. Aşağı tezlikli ultrasəs dalğaları aqqlomeratları parçalayan və hissəcik ölçüsünü kiçildən güclü kavitasiya yarada bilər. Xüsusilə maye şırnaqlarının yaratdığı yüksək sürüşmə mayedəki hissəcikləri sürətləndirir; onlar bir-biri ilə toqquşur (hissəciklərarası toqquşma) və nəticədə parçalanır və aşınır. Bu, hissəciklərin bərabər və sabit paylanmasını təmin edərək çökmənin qarşısını alır. Bu, nanotexnologiya, materialşünaslıq və əczaçılıq daxil olmaqla müxtəlif sahələrdə həlledici əhəmiyyət daşıyır.
- Emulsiyalaşdırma və qarışdırma: Zond tipli ultrasəs cihazları emulsiyalar yaratmaq və mayeləri qarışdırmaq üçün istifadə olunur. Ultrasəs enerjisi kavitasiyaya, yəni mikroskopik qabarcıqların əmələ gəlməsinə və çökməsinə səbəb olur; bu isə güclü lokal sürüşmə qüvvələri yaradır. Bu proses bir-biri ilə qarışmayan mayelərin emulsiyalaşdırılmasına kömək edərək sabit və incə dispersli emulsiyalar yaradır.
- Ekstraksiya: Kavitasiya nəticəsində yaranan sürüşmə qüvvələri sayəsində ultrasəs cihazları hüceyrə strukturlarının parçalanmasında və bərk maddə ilə maye arasında kütlə ötürülməsinin yaxşılaşdırılmasında yüksək səmərəlidir. Buna görə də ultrasəslə ekstraksiya yüksək keyfiyyətli bitki ekstraktlarının istehsalı üçün bioaktiv birləşmələr kimi hüceyrədaxili materialın ayrılıb çıxarılmasında geniş istifadə olunur.
- Qazsızlaşdırma və havasızlaşdırma: Zond tipli ultrasəs cihazları mayelərdən qaz qabarcıqlarını və ya həll olmuş qazları çıxarmaq üçün istifadə olunur. Ultrasəs kavitasiyasının tətbiqi qaz qabarcıqlarının birləşməsini təşviq edir, nəticədə onlar böyüyür və mayenin səthinə qalxır. Ultrasəs kavitasiyası qazsızlaşdırmanı sürətli və səmərəli prosedura çevirir. Bu, qazların mövcudluğunun məhsulun keyfiyyətinə və sabitliyinə mənfi təsir göstərə bildiyi boya, hidravlik mayelər və ya qida və içki emalı kimi müxtəlif sənaye sahələrində dəyərlidir.
- Sonokataliz: Ultrasəs zondları kimyəvi reaksiyaları gücləndirmək üçün akustik kavitasiyanı katalizatorlarla birləşdirən proses olan sonokataliz üçün istifadə edilə bilər. Ultrasəs dalğalarının yaratdığı kavitasiya kütlə ötürülməsini yaxşılaşdırır, reaksiya sürətlərini artırır və sərbəst radikalların yaranmasını təşviq edərək daha səmərəli və selektiv kimyəvi çevrilmələrə gətirib çıxarır.
- Nümunələrin hazırlanması: Zond tipli ultrasəs cihazları laboratoriyalarda nümunələrin hazırlanması üçün geniş istifadə olunur. Onlar hüceyrələr, toxumalar və viruslar kimi bioloji nümunələrin homogenləşdirilməsi, aqreqatlarının parçalanması və ekstraksiyası üçün istifadə olunur. Zondun yaratdığı ultrasəs enerjisi hüceyrə membranlarını parçalayaraq hüceyrə möhtəviyyatını sərbəstləşdirir və sonrakı analizi asanlaşdırır.
- Dezinteqrasiya və hüceyrələrin parçalanması: Zond tipli ultrasəs cihazları hüceyrədaxili komponentlərin ekstraksiyası, mikrobların inaktivasiyası və ya analiz üçün nümunələrin hazırlanması kimi müxtəlif məqsədlərlə hüceyrə və toxumaların dezinteqrasiyası və parçalanması üçün istifadə olunur. Yüksək intensivlikli ultrasəs dalğaları və onların yaratdığı kavitasiya mexaniki gərginlik və sürüşmə qüvvələri yaradaraq hüceyrə strukturlarının dağılmasına səbəb olur. Bioloji tədqiqatlarda və tibbi diaqnostikada zond tipli ultrasəs cihazları hüceyrədaxili komponentləri sərbəstləşdirmək üçün hüceyrələrin açılıb parçalanması prosesi olan hüceyrə lizisi üçün istifadə olunur. Ultrasəs enerjisi hüceyrə divarlarını, membranları və orqanelləri parçalayaraq zülalların, DNA, RNA və digər hüceyrə komponentlərinin ekstraksiyasına imkan verir.
Bunlar zond tipli ultrasəs cihazlarının əsas tətbiqlərindən bəziləridir, lakin texnologiyanın əczaçılıq, qida emalı, biotexnologiya və ətraf mühit elmləri kimi müxtəlif sahələrdə sonokimya, hissəcik ölçüsünün kiçildilməsi (yaş üyütmə), hissəciklərin aşağıdan yuxarıya sintezi və kimyəvi maddə və materialların sonosintezi daxil olmaqla daha geniş digər istifadə sahələri də var.
Suda qrafit pulcuğunun sonomexaniki laylara ayrılmasını göstərən yüksək sürətli kadrlar ardıcıllığı (a-dan f-ə qədər). Laylara ayrılma 3-mm sonotrodlu 200W ultrasəs cihazı olan UP200S cihazından istifadə edilməklə həyata keçirilir. Oxlar kavitasiya qabarcıqlarının yaranan yarığa nüfuz etdiyi hissəciklərin ayrılma yerini göstərir.
© Tyurnina və b. 2020
Ultrasəs kavitasiyasından faydalanın!
Aşağıdakı cədvəl ultrasəs cihazlarımızın təxmini emal gücü barədə təsəvvür yaradır:
| Partiyanın həcmi | Axın sərfi | Tövsiyə olunan cihazlar |
|---|---|---|
| 1–500mL | 10–200mL/min | UP100H |
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1–20L | 0,2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10–100L/min | UIP16000 |
| n.a. | daha böyük | cihazlar qrupu: UIP16000 |
Mayedə akustik kavitasiyanın videosu
Aşağıdakı video su ilə doldurulmuş şüşə sütunda UIP1000hdT ultrasəs cihazının kaskatrod başlığında akustik kavitasiyanı nümayiş etdirir. Kavitasiya qabarcıqlarının görünməsini yaxşılaşdırmaq üçün şüşə sütun aşağıdan qırmızı işıqla işıqlandırılır.
Hielscher Ultrasonics laboratoriya, pilot və sənaye miqyasında qarışdırma tətbiqləri, dispersləşdirmə, emulsiyalaşdırma və ekstraksiya üçün yüksək məhsuldarlıqlı ultrasəs homogenizatorları istehsal edir.
Tez-tez verilən suallar
Ultrasəs kavitasiyası nədir?
Ultrasəs kavitasiyası yüksək intensivlikli ultrasəsə məruz qalan mayedə mikroskopik qabarcıqların əmələ gəlməsi, böyüməsi və şiddətlə çökməsidir. Bu qabarcıqların çökməsi güclü lokal sürüşmə, maye mikroşırnaqları, zərbə dalğaları, yüksək təzyiq qradiyentləri və güclü mikroqarışdırma təsirləri yaradır.
Ultrasəs kavitasiyası ilə akustik kavitasiya arasında nə fərq var?
Akustik kavitasiya səs dalğalarının yaratdığı kavitasiyanın ümumi adıdır. Ultrasəs kavitasiyası ultrasəs tezlikləri ilə, adətən eşidilən diapazondan yuxarı tezliklərdə yaradılan akustik kavitasiyadır. Mayelərin sənaye emalında hər iki termin çox vaxt yüksək güclü ultrasəs cihazlarının yaratdığı kavitasiya üçün istifadə olunur.
Ultrasəs kavitasiyası mayelərin emalını necə yaxşılaşdırır?
Ultrasəs kavitasiyası mayenin daxilində güclü mexaniki və kimyəvi təsirlər yaradaraq mayelərin emalını yaxşılaşdırır. Mexaniki təsirlər qarışdırma, homogenləşdirmə, emulsiyalaşdırma, hissəciklərin deaqqlomerasiyası, yaş üyütmə, ekstraksiya və hüceyrələrin parçalanmasına kömək edir. Reaksiyaların getdiyi sistemlərdə kavitasiya həmçinin sonokimyəvi təsirləri təşviq edə və kütlə ötürülməsini yaxşılaşdıra bilər.
Ultrasəs kavitasiyası hansı tətbiqlərdə istifadə olunur?
Ultrasəs kavitasiyası homogenləşdirmə, dispersləşdirmə, emulsiyalaşdırma, nanoemulsiyalaşdırma, ekstraksiya, qazsızlaşdırma, deaqqlomerasiya, hissəcik ölçüsünün kiçildilməsi, hüceyrə lizisi, mikrobların parçalanması, sonokimya, sonokataliz və qabaqcıl maye fazalı reaksiyalar üçün istifadə olunur.
Zond tipli ultrasəs cihazları kavitasiya üçün nə üçün effektivdir?
Zond tipli ultrasəs cihazları ultrasəs enerjisini sonotrod vasitəsilə birbaşa mayeyə ötürür. Enerjinin bu birbaşa ötürülməsi zondun səthi yaxınlığında güclü kavitasiya zonası yaradır və amplituda, verilən güc, temperatur, təzyiq və emal müddəti kimi mühüm proses parametrlərinin dəqiq tənzimlənməsinə imkan verir.
Ultrasəs vannası güclü kavitasiya üçün uyğundurmu?
Ultrasəs vannaları kavitasiya yaradır, lakin enerji sıxlığı adətən zond tipli sonikatorla müqayisədə xeyli aşağı və daha az cəmlənmiş olur. Vannalar təmizləmə və yüngül emal üçün faydalıdır, təkrarlana bilən homogenləşdirmə, ekstraksiya, emulsiyalaşdırma, dispersləşdirmə, hüceyrələrin parçalanması və mayelərin sənaye emalı üçün isə zond tipli ultrasəs cihazlarına üstünlük verilir.
Zond tipli sonikatorlarla ultrasəs vannalarının necə fərqləndiyini oxuyun və izləyin!
Ultrasəs kavitasiyasının intensivliyinə hansı parametrlər təsir edir?
Mühüm parametrlərə amplituda, ultrasəs gücü, sonotrodun səth sahəsi, mayenin həcmi, özlülük, bərk maddə miqdarı, təzyiq, temperatur, qabın həndəsəsi, axın kamerasının həndəsəsi, axın sərfi və qalma müddəti daxildir. Bu parametrlərin tənzimlənməsi kavitasiyanın intensivliyini prosesin hədəfinə uyğunlaşdırmağa imkan verir.
Ultrasəs kavitasiyasının miqyasını laboratoriyadan istehsala qədər artırmaq mümkündürmü?
Bəli. Ultrasəs kavitasiyası prosesləri laboratoriya həcmlərində işlənib hazırlana və amplituda, verilən enerji, sonotrodun həndəsəsi, axın sərfi və qalma müddətinə nəzarət etməklə pilot və ya sənaye miqyasına keçirilə bilər. Hielscher laboratoriya testləri, pilot sınaqlar və fasiləsiz sənaye istehsalı üçün ultrasəs cihazları və reaktorlar təklif edir.
Ədəbiyyat / İstinadlar
- Suslick, K.S. (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; 4th Ed. J. Wiley & Sons: New York, 1998, vol. 26, 517-541.
- Aharon Gedanken (2003): Sonochemistry and its application to nanochemistry. Current Science Vol. 85, No. 12 (25 December 2003), pp. 1720-1722.
- 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.
- Ali Gholami, Fathollah Pourfayaz, Akbar Maleki (2021): Techno-economic assessment of biodiesel production from canola oil through ultrasonic cavitation. Energy Reports, Volume 7, 2021. 266-277.
- Anastasia V. Tyurnina, Iakovos Tzanakis, Justin Morton, Jiawei Mi, Kyriakos Porfyrakis, Barbara M. Maciejewska, Nicole Grobert, Dmitry G. Eskin 2020): Ultrasonic exfoliation of graphene in water: A key parameter study. Carbon, Vol. 168, 2020.
Hielscher Ultrasonics yüksək məhsuldarlıqlı ultrasəs homogenizatorlarını laboratoriya ölçüsündən başlayaraq sənaye ölçüsünə qədər istehsal edir.