Primjena snažnog ultrazvuka pomoću ultrazvučnih horn-ova

Ultrazvučni horn-ovi ili sonde široko se koriste za brojne primjene obrade tekućina, uključujući homogenizaciju, dispergiranje, mokro mljevenje, emulgiranje, ekstrakciju, dezintegraciju, otapanje i deaeraciju. Saznajte osnove o ultrazvučnim horn-ovima, ultrazvučnim sondama i njihovoj primjeni.

Ultrazvučni horn naspram ultrazvučne sonde

Pojmovi ultrazvučni horn i sonda često se koriste kao istoznačnice i odnose se na ultrazvučnu šipku koja prenosi ultrazvučne valove u tekućinu. Drugi pojmovi koji se koriste za ultrazvučnu sondu su akustični horn, sonotroda, akustični valovod ili ultrazvučni prst. Međutim, tehnički postoji razlika između ultrazvučnog horna i ultrazvučne sonde.
I horn i sonda odnose se na dijelove takozvanog ultrazvučnog uređaja sondnog tipa. Ultrazvučni horn je metalni dio ultrazvučnog pretvarača, koji se pobuđuje piezoelektrično generiranim vibracijama. Ultrazvučni horn vibrira na određenoj frekvenciji, npr. 20kHz, što znači 20.000 vibracija u sekundi. Titan je poželjan materijal za izradu ultrazvučnih horn-ova zbog izvrsnih svojstava akustičnog prijenosa, snažne otpornosti na zamor i tvrdoće površine.

Ultrazvučna sonda naziva se i sonotroda ili ultrazvučni prst. To je metalna šipka, najčešće izrađena od titana, koja je navojem pričvršćena na ultrazvučni horn. Ultrazvučna sonda je bitan dio ultrazvučnog procesora, koji prenosi ultrazvučne valove u medij koji se ultrazvučno obrađuje. Ultrazvučne sonde / sonotrode dostupne su u različitim oblicima (npr. konične, šiljaste, sužene ili kao Cascatrode). Iako je titan najčešće korišteni materijal za ultrazvučne sonde, dostupne su i sonotrode izrađene od nehrđajućeg čelika, keramike, stakla i drugih materijala.

Budući da su ultrazvučni horn i sonda tokom ultrazvučne obrade pod stalnim pritiskom ili zatezanjem, odabir materijala horna i sonde je presudan. Visokokvalitetna legura titana (razred 5) smatra se najpouzdanijim, najtrajnijim i najdjelotvornijim metalom za podnošenje naprezanja, za održavanje visokih amplituda tokom dugih vremenskih razdoblja i za prijenos akustičnih i mehaničkih svojstava.

Otapanje je česta primjena ultrazvučne obrade. Video prikazuje brzo otapanje kristala šećera u vodi pomoću uređaja Hielscher UP200St.

Visokoučinski ultrazvučni uređaji uglavnom rade u frekvencijskom rasponu od 20-30kHz. Na 20 kHz ultrazvučna sonda je obično rezonantna šipka duga pola valne duljine, koja se neprestano širi i skuplja 20.000 puta u sekundi. Pokreti širenja i skupljanja prenose se kao ultrazvuk velike snage u procesni medij, tj. tekućinu ili suspenziju, kako bi se ostvarile primjene kao što su

• ultrazvučno miješanje visokim smicanjem
• ultrazvučno mokro mljevenje
• ultrazvučno dispergiranje nanočestica
• ultrazvučna nanoemulgacija
• ultrazvučna ekstrakcija
• ultrazvučna dezintegracija
• ultrazvučna razgradnja ćelija i liza
• ultrazvučno otplinjavanje i deaeracija
• sonokemija (sonosinteza, sonokataliza)

Kako funkcionira snažni ultrazvuk? – Princip rada akustične kavitacije

Za visokoučinske ultrazvučne primjene kao što su homogenizacija, smanjenje veličine čestica, dezintegracija ili nanodisperzije, ultrazvuk visokog intenziteta i niske frekvencije generira ultrazvučni pretvarač i prenosi se preko ultrazvučnog horna i sonde (sonotrode) u tekućinu. Ultrazvukom velike snage smatra se ultrazvuk u rasponu od 16-30kHz. Ultrazvučna sonda se širi i skuplja npr. na 20kHz, pri čemu u medij prenosi odgovarajućih 20.000 vibracija u sekundi. Kada ultrazvučni valovi putuju kroz tekućinu, naizmjenični ciklusi visokog tlaka (kompresija) / niskog tlaka (razrjeđenje / ekspanzija) stvaraju sitne šupljine (vakuumske mjehuriće), koje rastu tokom nekoliko tlačnih ciklusa. Tokom faze kompresije tekućine i mjehurića tlak je pozitivan, dok faza razrjeđenja stvara vakuum (negativan tlak.) Tokom ciklusa kompresije i ekspanzije šupljine u tekućini rastu dok ne dosegnu veličinu pri kojoj ne mogu apsorbirati dodatnu energiju. U toj tački snažno implodiraju. Implozija tih šupljina rezultira raznim visokoenergetskim učincima, koji su poznati kao fenomen akustične / ultrazvučne kavitacije. Akustičnu kavitaciju karakteriziraju brojni visokoenergetski učinci, koji djeluju na tekućine, sisteme čvrsto/tekuće, kao i sisteme plin/tekućina. Zona velike gustoće energije ili kavitacijska zona poznata je kao takozvana zona žarišta (hot-spot), koja ima najveću gustoću energije u neposrednoj blizini ultrazvučne sonde i opada s povećanjem udaljenosti od sonotrode. Glavne karakteristike ultrazvučne kavitacije uključuju lokalno nastajanje vrlo visokih temperatura i tlakova te odgovarajućih razlika, turbulencije i strujanje tekućine. Tokom implozije ultrazvučnih šupljina u ultrazvučnim žarištima mogu se izmjeriti temperature do 5000 Kelvina, tlakovi do 200 atmosfera i mlazevi tekućine brzine do 1000km/h. Ti izvanredni uvjeti velike gustoće energije doprinose sonomehaničkim i sonokemijskim učincima koji na različite načine intenziviraju procese i kemijske reakcije.
Glavni učinci ultrazvučne obrade na tekućine i suspenzije su sljedeći:

• Visoko smicanje: Ultrazvučne smične sile visokog intenziteta razgrađuju tekućine i sisteme tekućina-čvrsta tvar, uzrokujući intenzivno miješanje, homogenizaciju i prijenos mase.
• Udar: Mlazevi tekućine i strujanje koje stvara ultrazvučna kavitacija ubrzavaju čvrste čestice u tekućinama, što potom dovodi do međučestičnog sudara. Kada se čestice sudaraju pri vrlo velikim brzinama, erodiraju, lome se te se melju i fino dispergiraju, često do nanoveličine. Kod biološke tvari kao što su biljni materijali, mlazevi tekućine velike brzine i naizmjenični tlačni ciklusi razgrađuju ćelijske stijenke i oslobađaju unutarćelijski materijal. To rezultira vrlo učinkovitom ekstrakcijom bioaktivnih spojeva i homogenim miješanjem biološke tvari.
• Miješanje: Ultrazvučna obrada uzrokuje intenzivne turbulencije, smične sile i mikrokretanje u tekućini ili suspenziji. Pritom sonikacija uvijek intenzivira prijenos mase i time ubrzava reakcije i procese.

Ultrazvučni homogenizatori i mješači visokog smicanja koriste se u gotovo svakoj prerađivačkoj industriji koja radi s tekućinama ili suspenzijama. Snažne ultrazvučne kavitacijske sile stvaraju intenzivno miješanje, smicanje, lomljenje čestica i prijenos mase. Pritom se tekućine homogeniziraju, dispergiraju, emulgiraju, ekstrahiraju, otapaju i/ili se pokreću kemijske reakcije. Sveukupno, ultrazvučna obrada je metoda intenziviranja procesa koja povećava prinos, poboljšava stope konverzije i čini procese učinkovitijima.
Uobičajene ultrazvučne primjene u industriji rasprostranjene su u mnogim granama prehrambene i farmaceutske industrije, fine kemije, energetike i petrokemije, recikliranja, biorafinerija itd. i uključuju sljedeće:

• ultrazvučna sinteza biodizela
• ultrazvučna homogenizacija voćnih sokova
• ultrazvučna proizvodnja vakcina
• ultrazvučno recikliranje litij-ionskih baterija
• ultrazvučna sinteza nanomaterijala
• ultrazvučna formulacija farmaceutskih proizvoda
• ultrazvučna nanoemulgacija CBD-a
• ultrazvučna ekstrakcija biljnih materijala
• ultrazvučna priprema uzoraka u laboratorijima
• ultrazvučno otplinjavanje tekućina
• ultrazvučna desulfurizacija sirove nafte
• i mnogo više …

Ultrazvučni horn-ovi i sonde za visokoučinske primjene

Hielscher Ultrasonics je dugogodišnji iskusni proizvođač i distributer ultrazvučnih uređaja velike snage, koji se širom svijeta koriste za zahtjevne primjene u mnogim industrijama.
Sa ultrazvučnim procesorima svih veličina od 50 vati do 16kW po uređaju, sondama različitih veličina i oblika te ultrazvučnim reaktorima različitih zapremina i geometrija, Hielscher Ultrasonics ima pravu opremu za konfiguraciju idealnog ultrazvučnog sistema za vašu primjenu.
Tabela u nastavku daje vam okvirnu informaciju o približnom kapacitetu obrade naših ultrazvučnih uređaja: