Ултразвукова обработка на течности, суспензии и химични реакции

Ултразвуковата обработка е метод за механична обработка, който създава акустична кавитация и физични сили с много висок интензитет. Затова ултразвукът се използва за множество приложения като смесване, хомогенизация, смилане, диспергиране, емулгиране, екстракция, дегазиране и сонохимични реакции.

Намерете своето приложение в таблицата по-долу, щракнете върху връзката и преминете директно към процеса, който ви интересува! Научете как ултразвуковата обработка подобрява процеса и неговата ефективност.

Ултразвукова хомогенизация

Ултразвуковите хомогенизатори намаляват размера на малките частици в течност, за да подобрят еднородността и стабилността на дисперсията. Частиците (дисперсната фаза) могат да бъдат твърди вещества или течни капчици, суспендирани в течна фаза. Ултразвуковата хомогенизация е много ефективна за намаляване на размера на меки и твърди частици. Hielscher произвежда ултразвукови уреди за хомогенизация на всякакви обеми течности и за партидна обработка или обработка в производствената линия. Лабораторните ултразвукови устройства могат да се използват за обеми от 1,5mL до приблизително 4L. Промишлените ултразвукови устройства могат да обработват партиди от 0,5 до приблизително 2000L или дебити от 0,1L до 20 кубични метра на час при разработване на процеси и в търговското производство.
Открийте силата на ултразвуковата хомогенизация!

Ултразвуково диспергиране и деагломерация

Диспергирането и деагломерацията на твърди вещества в течности са важно приложение на ултразвуковите уреди със сонда. Ултразвуковата / акустичната кавитация генерира големи сили на срязване, които разрушават агломератите от частици до отделни, самостоятелно диспергирани частици. Смесването на прахове с течности е обичаен етап при формулирането на различни продукти като бои, лакове, козметични продукти, храни и напитки или полиращи среди. Отделните частици се задържат заедно от сили на привличане с различна физична и химична природа, включително сили на Ван дер Ваалс и повърхностното напрежение на течността. Ултразвуковата обработка преодолява тези сили на привличане, за да деагломерира и диспергира частиците в течни среди. За диспергирането и деагломерацията на прахове в течности ултразвуковата обработка с висок интензитет е интересна алтернатива на хомогенизаторите с високо налягане, смесителите с големи сили на срязване, мелниците с микросфери или роторно-статорните смесители.
Получете подробна информация за ултразвуковото диспергиране и деагломерацията!

Ултразвуково емулгиране

Широка гама от междинни и потребителски продукти като козметика и лосиони за кожа, фармацевтични мехлеми, лакове, бои, смазочни материали и горива се основават изцяло или отчасти на емулсии. Емулсиите са дисперсии на две или повече несмесващи се течни фази. Ултразвукът с много висок интензитет осигурява достатъчно интензивно срязване, за да диспергира една течна фаза (дисперсна фаза) като малки капчици във втора фаза (непрекъсната фаза). В зоната на диспергиране имплодиращите кавитационни мехурчета предизвикват интензивни ударни вълни в околната течност и водят до образуване на течни струи с висока скорост на течността (интензивно срязване). Ултразвуковата обработка може да се адаптира прецизно към целевия размер на капчиците в емулсията, като по този начин позволява надеждното производство на микроемулсии и наноемулсии.
Щракнете тук, за да прочетете повече за ултразвуковото емулгиране!

Ултразвуково мокро смилане и раздробяване

Ултразвуковата обработка е ефективно средство за мокро смилане и микрораздробяване на частици. Особено при производството на суспензии с ултрафини частици ултразвукът има много предимства. Той превъзхожда традиционното оборудване за намаляване на размера на частиците като: колоидни мелници (напр. топкови мелници, мелници с микросфери), дискови мелници или струйни мелници. Ултразвуковата обработка може да обработва суспензии с висока концентрация и висок вискозитет – като по този начин намалява обема, който трябва да се обработи. Разбира се, ултразвуковото смилане е подходящо за обработка на материали с микроразмери и наноразмери като керамика, пигменти, бариев сулфат, калциев карбонат или метални оксиди. Особено при наноматериалите ултразвуковата обработка се отличава с отлични резултати, тъй като нейните силно въздействащи сили на срязване създават равномерно малки наночастици.
Прочетете повече за ултразвуковото мокро смилане и микрораздробяване!

TiO2, изсушен чрез разпръскване, преди и след ултразвуково смилане

Ултразвуково разрушаване на клетките и лизис

Ултразвуковата обработка може да раздроби влакнест целулозен материал до фини частици и да разруши стените на клетъчната структура. Така в течността се освобождава повече вътреклетъчен материал като нишесте или захар. Този ефект може да се използва за ферментация, разграждане и други процеси на преобразуване на органична материя. След смилането и раздробяването ултразвуковата обработка прави повече вътреклетъчен материал, напр. нишесте, както и остатъците от клетъчните стени достъпни за ензимите, които превръщат нишестето в захари. Тя също така увеличава повърхността, изложена на действието на ензимите по време на втечняването или озахаряването. Това обикновено увеличава скоростта и добива при ферментацията с дрожди и други процеси на преобразуване, напр. за увеличаване на производството на етанол от биомаса.
Прочетете повече за ултразвуковото разрушаване на клетъчни структури!

Ултразвукова екстракция на растителни вещества

Екстракцията на биоактивни съединения, съхранявани в клетките и субклетъчните частици, е широко използвано приложение на ултразвука с висок интензитет. Ултразвуковата екстракция се използва за изолиране на вторични метаболити (напр. полифеноли), полизахариди, протеини, етерични масла и други активни съставки от клетъчната матрица на растения и гъби. Подходяща за екстракция на органични съединения с вода и разтворители, ултразвуковата обработка значително подобрява добива на растителни вещества, съдържащи се в растенията или семената. Ултразвуковата екстракция се използва за производството на фармацевтични продукти, нутрацевтици / хранителни добавки, ароматни вещества и биологични добавки. Ултразвукът е екологична техника за екстракция, използвана и за извличане на биоактивни компоненти в биорафинерии, напр. за освобождаване на ценни съединения от неоползотворени потоци от странични продукти, образувани при промишлени процеси. Ултразвуковата обработка е високоефективна технология за екстракция на растителни вещества в лабораторен и производствен мащаб.
Разгледайте предимствата на ултразвуковата екстракция!

Сонохимично приложение на ултразвука

Сонохимията е прилагането на ултразвук към химични реакции и процеси. Механизмът, който предизвиква сонохимични ефекти в течности, е явлението акустична кавитация. Сонохимичните ефекти върху химичните реакции и процеси включват увеличаване на скоростта на реакцията или добива, по-ефективно използване на енергията, подобряване на действието на катализаторите за фазов пренос, активиране на метали и твърди вещества или увеличаване на реактивоспособността на реагентите или катализаторите.
Разгледайте сонохимичните ефекти на ултразвука!

Ултразвукова трансестерификация на (отпадъчно) масло до биодизел

Ултразвуковата обработка увеличава скоростта на химичната реакция и добива при трансестерификацията на растителни масла и животински мазнини до биодизел. Това позволява преминаване на производството от партидна обработка към обработка в непрекъснат поток и намалява инвестиционните и експлоатационните разходи. Едно от основните предимства на ултразвуковото производство на биодизел е използването на отпадъчни масла като използвани готварски масла и други нискокачествени маслени суровини. Ултразвуковата трансестерификация може да превърне дори нискокачествена суровина във висококачествен биодизел (метилов естер на мастна киселина / FAME). Производството на биодизел от растителни масла или животински мазнини включва катализирана от основа трансестерификация на мастни киселини с метанол или етанол за получаване на съответните метилови или етилови естери. Ултразвуковата обработка може да постигне добив на биодизел над 99%. Ултразвукът значително съкращава времето за обработка и времето за разделяне.
Щракнете тук, за да прочетете повече за подпомаганата с ултразвук трансестерификация на масло до биодизел!

Ултразвуково дегазиране, деаериране и обезпеняване на течности

Дегазирането на течности е друго важно приложение на ултразвуковите уреди със сонда. Ултразвуковите вибрации и кавитацията предизвикват коалесценция на разтворените газове в течността. Когато миниатюрните газови мехурчета се сливат, те образуват по-големи мехурчета, които бързо изплуват до горната повърхност на течността, откъдето могат да бъдат отстранени. По този начин ултразвуковото дегазиране и деаериране могат да намалят нивото на разтворения газ под естественото равновесно ниво.
Щракнете тук, за да прочетете повече за ултразвуковото дегазиране на течности!

Ултразвуково почистване на телове, кабели и ленти

Ултразвуковото почистване е екологична алтернатива за почистването на непрекъснати материали като телове и кабели, ленти или тръби. Действието на мощната ултразвукова кавитация отстранява остатъци от смазочни материали като масло или грес, сапуни, стеарати или прах от повърхността на материала. Hielscher Ultrasonics предлага различни ултразвукови системи за почистване на непрекъснати профили в производствената линия.
Щракнете тук за повече информация относно ултразвуковото почистване на непрекъснати профили!

Какво прави ултразвуковата обработка превъзходен метод за обработка?

Ултразвуковата обработка, или използването на високочестотни звукови вълни за раздвижване на течности, е ефективен метод за обработка по редица причини. Ето някои причини, поради които ултразвуковата обработка с висок интензитет и ниска честота от приблизително 20kHz е особено въздействаща и полезна за обработката на течности и суспензии:

1. Кавитация: Един от основните механизми на ултразвуковата обработка е създаването и колапсът на миниатюрни мехурчета – явление, наречено кавитация. При 20kHz звуковите вълни имат точно подходящата честота за ефективно създаване и колапс на мехурчета. Колапсът на тези мехурчета произвежда високоенергийни ударни вълни, които могат да раздробяват частици и да разрушават клетки в обработваната с ултразвук течност.
2. Трептене и вибрации: Освен генерираната акустична кавитация, трептенето на ултразвуковата сонда създава допълнително раздвижване и смесване в течността, като по този начин подпомага масообмена и/или дегазирането.
3. Проникване: Звуковите вълни при 20kHz имат сравнително голяма дължина на вълната, която им позволява да проникват дълбоко в течностите. Ултразвуковата кавитация е локализирано явление, възникващо в околността на ултразвуковата сонда. С увеличаване на разстоянието от сондата интензитетът на кавитацията намалява. Въпреки това ултразвуковата обработка при 20kHz може ефективно да обработва по-големи обеми течност в сравнение с ултразвуковата обработка с по-висока честота, която има по-малки дължини на вълната и може да бъде по-ограничена по отношение на дълбочината на проникване.
4. Ниска консумация на енергия: Ултразвуковата обработка може да се извършва със сравнително ниска консумация на енергия в сравнение с други методи за обработка като хомогенизация с високо налягане или механично разбъркване. Това я прави по-енергийно ефективен и икономически изгоден метод за обработка на течности.
5. Линейна мащабируемост: Ултразвуковите процеси могат да се мащабират напълно линейно към по-големи или по-малки обеми. Това прави адаптирането на процесите в производството надеждно, тъй като качеството на продукта може да се поддържа постоянно стабилно.
6. Партидна обработка и поток в производствената линия: Ултразвуковата обработка може да се извършва като партиден процес или като непрекъснат процес в производствената линия. За ултразвуковата обработка на партиди ултразвуковата сонда се поставя в отворения съд или в затворения партиден реактор. За ултразвуковата обработка на непрекъснат поток се монтира ултразвукова проточна клетка. Течната среда преминава покрай сонотрода (прът, вибриращ с ултразвукова честота) еднократно или с рециркулация и се подлага на действието на ултразвуковите вълни много равномерно и ефективно.

Като цяло интензивните сили на кавитацията, ниската консумация на енергия и мащабируемостта на процеса правят ултразвуковата обработка с ниска честота и висока мощност ефективен метод за обработка на течности.

Принцип на работа и използване на ултразвуковата обработка

Ултразвуковата обработка е технология за обработка с търговско приложение, възприета от множество отрасли за производство в голям мащаб. Високата надеждност и мащабируемост, както и ниските разходи за поддръжка и високата енергийна ефективност правят ултразвуковите процесори добра алтернатива на традиционното оборудване за обработка на течности. Ултразвукът предлага допълнителни вълнуващи възможности: кавитацията – основният ултразвуков ефект – дава уникални резултати в биологични, химични и физични процеси. Например ултразвуковото диспергиране и емулгиране лесно създават стабилни състави с наноразмери. Също така в областта на екстракцията на растителни вещества ултразвукът е нетермична техника за изолиране на биоактивни съединения.

Ултразвуковото смесване се основава на акустичната кавитация и нейните хидродинамични сили на срязване.

Докато ултразвукът с нисък интензитет или висока честота се използва главно за анализ, безразрушителен контрол и образна диагностика, ултразвукът с висок интензитет се използва за обработка на течности и пасти, при която интензивните ултразвукови вълни се използват за смесване, емулгиране, диспергиране и деагломерация, разрушаване на клетките или дезактивиране на ензими. При ултразвукова обработка на течности с висок интензитет звуковите вълни се разпространяват през течните среди. Това води до редуващи се цикли на високо налягане (сгъстяване) и ниско налягане (разреждане), чиято честота на повторение зависи от честотата на ултразвука. По време на цикъла на ниско налягане ултразвуковите вълни с висок интензитет създават малки вакуумни мехурчета или кухини в течността. Когато мехурчетата достигнат обем, при който вече не могат да поглъщат енергия, те колапсират бурно по време на цикъл на високо налягане. Това явление се нарича кавитация. По време на имплозията локално се достигат много високи температури (приблизително 5 000K) и налягания (приблизително 2 000atm). Имплозията на кавитационното мехурче води и до течни струи със скорост до 280 метра в секунда.

Ултразвуковата кавитация в течности може да предизвика бързо и пълно дегазиране; да инициира различни химични реакции чрез генериране на свободни химични йони (радикали); да ускорява химичните реакции, като улеснява смесването на реагентите; да подобрява реакциите на полимеризация и деполимеризация чрез диспергиране на агрегати или чрез трайно разкъсване на химичните връзки в полимерните вериги; да увеличава скоростта на емулгиране; да подобрява скоростта на дифузия; да произвежда силно концентрирани емулсии или еднородни дисперсии на материали с микроразмери или наноразмери; да подпомага екстракцията на вещества като ензими от животински, растителни, дрождеви или бактериални клетки; да отстранява вируси от заразена тъкан; и накрая, да ерозира и раздробява податливи частици, включително микроорганизми. (вж. Kuldiloke 2002)

Ултразвукът с висок интензитет предизвиква бурно раздвижване в течности с нисък вискозитет, което може да се използва за диспергиране на материали в течности. (вж. Ensminger, 1988) На границите течност/твърдо вещество или газ/твърдо вещество асиметричната имплозия на кавитационните мехурчета може да предизвика изключително силна турбулентност, която намалява дифузионния граничен слой, увеличава конвективния масообмен и значително ускорява дифузията в системи, в които обичайното смесване не е възможно. (вж. Nyborg, 1965)

Литература

• 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).