Ultrazvučna obrada tekućina, suspenzija i hemijskih reakcija

Ultrazvučna obrada je mehanička metoda obrade koja stvara akustičnu kavitaciju i vrlo intenzivne fizičke sile. Zbog toga se ultrazvuk koristi u brojnim primjenama, kao što su miješanje, homogenizacija, mljevenje, disperzija, emulgiranje, ekstrakcija, odzračivanje i sonohemijske reakcije.

Pronađite svoju primjenu u tabeli ispod, kliknite na vezu i odmah skočite na proces koji vas zanima! Saznajte kako ultrazvučna obrada (sonikacija) poboljšava proces i njegovu efikasnost.

Ultrazvučna homogenizacija

Ultrazvučni homogenizatori smanjuju male čestice u tekućini radi poboljšanja ujednačenosti i stabilnosti disperzije. Čestice (disperzna faza) mogu biti čvrste čestice ili kapljice tekućine suspendirane u tekućoj fazi. Ultrazvučna homogenizacija je vrlo efikasna za smanjenje mekanih i tvrdih čestica. Hielscher proizvodi ultrazvučne uređaje za homogenizaciju svake zapremine tekućine te za šaržnu ili inline obradu. Laboratorijski ultrazvučni uređaji mogu se koristiti za zapremine od 1,5mL do otprilike 4L. Industrijski ultrazvučni uređaji mogu obraditi šarže od 0,5 do otprilike 2000L ili protoke od 0,1L do 20 kubnih metara na sat u razvoju procesa i u komercijalnoj proizvodnji.
Otkrijte snagu ultrazvučne homogenizacije!

Ultrazvučna disperzija i deaglomeracija

Disperzija i deaglomeracija čvrstih tvari u tekućinama važna je primjena ultrazvučnih uređaja sa sondom. Ultrazvučna / akustična kavitacija stvara visoke smične sile koje razbijaju aglomerate čestica na pojedinačne, zasebno dispergirane čestice. Miješanje prahova u tekućine uobičajen je korak u formulaciji raznih proizvoda, kao što su boje, lakovi, kozmetički proizvodi, hrana i pića ili sredstva za poliranje. Pojedinačne čestice drže na okupu privlačne sile različite fizičke i hemijske prirode, uključujući van der Waalsove sile i površinski napon tekućine. Ultrazvučna obrada savladava te privlačne sile kako bi se čestice deaglomerirale i dispergirale u tekućim medijima. Za disperziju i deaglomeraciju prahova u tekućinama ultrazvučna obrada visokog intenziteta zanimljiva je alternativa visokotlačnim homogenizatorima, miješalicama s velikim smicanjem, mlinovima s kuglicama ili rotor-stator miješalicama.
Saznajte detaljno više o ultrazvučnoj disperziji i deaglomeraciji!

Ultrazvučno emulgiranje

Širok raspon poluproizvoda i proizvoda široke potrošnje, kao što su kozmetika i losioni za kožu, farmaceutske masti, lakovi, boje te maziva i goriva, u cijelosti ili djelomično se temelji na emulzijama. Emulzije su disperzije dviju ili više tekućih faza koje se ne miješaju. Ultrazvuk visokog intenziteta daje dovoljno intenzivno smicanje da se jedna tekuća faza (dispergirana faza) raspodijeli u sitne kapljice u drugoj fazi (kontinuirana faza). U zoni disperzije kavitacijski mjehurići koji implodiraju stvaraju intenzivne udarne valove u okolnoj tekućini i dovode do nastanka mlazeva tekućine velike brzine (veliko smicanje). Ultrazvučna obrada može se precizno prilagoditi ciljanoj veličini emulzije, što omogućuje pouzdanu proizvodnju mikroemulzija i nanoemulzija.
Kliknite ovdje da saznate više o ultrazvučnom emulgiranju!

Ultrazvučno mokro mljevenje i usitnjavanje

Ultrazvučna obrada je efikasno sredstvo za mokro mljevenje i mikrousitnjavanje čestica. Ultrazvuk ima mnoge prednosti, posebno za proizvodnju suspenzija vrlo sitnih čestica. Superiorniji je od tradicionalne opreme za smanjenje veličine čestica, kao što su: koloidni mlinovi (npr. kuglični mlinovi, mlinovi s perlama), diskasti mlinovi ili mlazni mlinovi. Ultrazvučna obrada može obrađivati suspenzije visoke koncentracije i visoke viskoznosti – čime se smanjuje zapremina koju treba obraditi. Naravno, ultrazvučno mljevenje pogodno je za obradu materijala mikrometarske i nanometarske veličine, kao što su keramika, pigmenti, barijum-sulfat, kalcijum-karbonat ili metalni oksidi. Naročito kada je riječ o nanomaterijalima, ultrazvučna obrada se ističe učinkom jer njezine vrlo snažne smične sile stvaraju jednolično sitne nanočestice.
Pročitajte više o ultrazvučnom mokrom mljevenju i mikrousitnjavanju!

TiO2 osušen raspršivanjem prije i poslije ultrazvučnog mljevenja

Ultrazvučna dezintegracija i liza ćelija

Ultrazvučni tretman može dezintegrirati vlaknast, celulozni materijal u sitne čestice i razbiti zidove ćelijske strukture. Time se u tekućinu oslobađa više unutarćelijskog materijala, kao što su škrob ili šećer. Ovaj efekat može se iskoristiti za fermentaciju, digestiju i druge procese konverzije organske tvari. Nakon mljevenja i usitnjavanja, ultrazvučna obrada čini veću količinu unutarćelijskog materijala, npr. škroba, kao i ostatke ćelijskih zidova dostupnijima enzimima koji pretvaraju škrob u šećere. Također povećava površinu izloženu enzimima tokom likvefakcije ili saharifikacije. To obično povećava brzinu i prinos fermentacije kvascem i drugih procesa konverzije, npr. radi povećanja proizvodnje etanola iz biomase.
Pročitajte više o ultrazvučnoj dezintegraciji ćelijskih struktura!

Ultrazvučna ekstrakcija biljnog materijala

Ekstrakcija bioaktivnih spojeva pohranjenih u ćelijama i subćelijskim česticama široko je korištena primjena ultrazvuka visokog intenziteta. Ultrazvučna ekstrakcija koristi se za izdvajanje sekundarnih metabolita (npr. polifenola), polisaharida, proteina, eteričnih ulja i drugih aktivnih sastojaka iz ćelijskog matriksa biljaka i gljiva. Pogodna za ekstrakciju organskih spojeva vodom i otapalima, ultrazvučna obrada znatno poboljšava prinos biljnih tvari sadržanih u biljkama ili sjemenkama. Ultrazvučna ekstrakcija koristi se za proizvodnju farmaceutskih proizvoda, nutraceutika / dodataka prehrani, mirisa i bioloških aditiva. Ultrazvuk je zelena tehnika ekstrakcije koja se koristi i za ekstrakciju bioaktivnih komponenti u biorafinerijama, npr. za oslobađanje vrijednih spojeva iz neiskorištenih tokova nusproizvoda nastalih u industrijskim procesima. Ultrazvučna obrada je vrlo efikasna tehnologija za ekstrakciju biljnog materijala u laboratorijskom i proizvodnom mjerilu.
Istražite prednosti ultrazvučne ekstrakcije!

Sonohemijska primjena ultrazvuka

Sonohemija je primjena ultrazvuka na hemijske reakcije i procese. Mehanizam koji uzrokuje sonohemijske efekte u tekućinama jeste pojava akustične kavitacije. Sonohemijski efekti na hemijske reakcije i procese uključuju povećanje brzine reakcije ili iskorištenja, efikasniju upotrebu energije, poboljšanje učinka katalizatora faznog prijenosa, aktivaciju metala i čvrstih tvari ili povećanje reaktivnosti reagensa ili katalizatora.
Istražite sonohemijske efekte ultrazvuka!

Ultrazvučna transesterifikacija (otpadnog) ulja u biodizel

Ultrazvučna obrada povećava brzinu hemijske reakcije i prinos transesterifikacije biljnih ulja i životinjskih masti u biodizel. Time se omogućava prelazak sa šaržne proizvodnje na proizvodnju u kontinuiranom protoku te se smanjuju investicijski i operativni troškovi. Jedna od glavnih prednosti ultrazvučne proizvodnje biodizela jeste upotreba otpadnih ulja, kao što su iskorištena ulja za kuhanje i drugi izvori ulja loše kvalitete. Ultrazvučna transesterifikacija može pretvoriti čak i sirovinu niske kvalitete u biodizel visoke kvalitete (metilni estri masnih kiselina / FAME). Proizvodnja biodizela iz biljnih ulja ili životinjskih masti uključuje transesterifikaciju masnih kiselina metanolom ili etanolom uz katalizu bazom, pri čemu nastaju odgovarajući metilni estri ili etilni estri. Ultrazvučna obrada može postići prinos biodizela veći od 99%. Ultrazvuk znatno skraćuje vrijeme obrade i vrijeme separacije.
Kliknite ovdje da saznate više o ultrazvučno potpomognutoj transesterifikaciji ulja u biodizel!

Ultrazvučno odzračivanje, odstranjivanje zraka i uklanjanje pjene iz tekućina

Odzračivanje tekućina još je jedna važna primjena ultrazvučnih uređaja sa sondom. Ultrazvučne vibracije i kavitacija uzrokuju koalescenciju otopljenih plinova u tekućini. Kako se sitni mjehurići plina spajaju, tako stvaraju veće mjehuriće koji brzo isplivaju na površinu tekućine, odakle se mogu ukloniti. Stoga ultrazvučno odzračivanje i odstranjivanje zraka mogu smanjiti razinu otopljenog plina ispod prirodne ravnotežne razine.
Kliknite ovdje da saznate više o ultrazvučnom odzračivanju tekućina!

Ultrazvučno čišćenje žica, kablova i traka

Ultrazvučno čišćenje je ekološki prihvatljiva alternativa za čišćenje kontinuiranih materijala, kao što su žica i kabl, traka ili cijevi. Učinak snažne ultrazvučne kavitacije uklanja ostatke maziva poput ulja ili masti, sapuna, stearata ili prašine s površine materijala. Hielscher Ultrasonics nudi razne ultrazvučne sisteme za inline čišćenje kontinuiranih profila.
Kliknite ovdje za više informacija o ultrazvučnom čišćenju kontinuiranih profila!

Što ultrazvučnu obradu čini superiornom metodom obrade?

Ultrazvučna obrada (sonikacija), odnosno upotreba zvučnih valova visoke frekvencije za miješanje tekućina, efikasna je metoda obrade iz više razloga. Evo nekoliko razloga zbog kojih je ultrazvučna obrada visokog intenziteta i niske frekvencije od otprilike 20kHz posebno učinkovita i povoljna za obradu tekućina i suspenzija:

1. Kavitacija: Jedan od glavnih mehanizama ultrazvučne obrade jeste stvaranje i kolaps sitnih mjehurića, pojava koja se naziva kavitacija. Pri 20kHz zvučni valovi imaju upravo pravu frekvenciju za efikasno stvaranje i kolaps mjehurića. Kolaps tih mjehurića stvara udarne valove visoke energije, koji mogu razbiti čestice i razgraditi ćelije u tekućini koja se ultrazvučno obrađuje.
2. Oscilacije i vibracije: Osim stvorene akustične kavitacije, oscilacije ultrazvučne sonde stvaraju dodatno miješanje i komešanje u tekućini, čime se potiče prijenos mase i/ili odzračivanje.
3. Penetracija: Zvučni valovi od 20kHz imaju relativno veliku talasnu dužinu, što im omogućava da duboko prodiru u tekućine. Ultrazvučna kavitacija je lokalizirana pojava koja se javlja u okolini ultrazvučne sonde. S povećanjem udaljenosti od sonde intenzitet kavitacije opada. Međutim, ultrazvučna obrada pri 20kHz može efikasno obraditi veće zapremine tekućine u poređenju s ultrazvučnom obradom više frekvencije, koja ima kraće talasne dužine i može biti ograničenija u dubini penetracije.
4. Niska potrošnja energije: Ultrazvučna obrada može se provesti uz relativno nisku potrošnju energije u poređenju s drugim metodama obrade, kao što su visokotlačna homogenizacija ili mehaničko miješanje. To je čini energetski efikasnijom i isplativijom metodom za obradu tekućina.
5. Linearna skalabilnost: Ultrazvučni procesi mogu se potpuno linearno skalirati na veće ili manje zapremine. To čini prilagodbe procesa u proizvodnji pouzdanima jer kvalitet proizvoda može ostati kontinuirano stabilan.
6. Šaržni i inline protok: Ultrazvučna obrada može se provoditi kao šaržni ili kao kontinuirani inline proces. Za ultrazvučnu obradu šarži ultrazvučna sonda se uranja u otvorenu posudu ili zatvoreni šaržni reaktor. Za ultrazvučnu obradu kontinuiranog toka ugrađuje se ultrazvučna protočna ćelija. Tekući medij prolazi pored sonotrode (ultrazvučno vibrirajuće šipke) u jednom prolazu ili recirkulacijom te je vrlo ujednačeno i efikasno izložen ultrazvučnim valovima.

Sve u svemu, intenzivne sile kavitacije, niska potrošnja energije i skalabilnost procesa čine ultrazvučnu obradu niske frekvencije i velike snage efikasnom metodom za obradu tekućina.

Princip rada i upotreba ultrazvučne obrade

Ultrazvučna obrada je komercijalna tehnologija obrade koju su prihvatile brojne industrije za proizvodnju velikih razmjera. Visoka pouzdanost i skalabilnost, kao i niski troškovi održavanja i visoka energetska efikasnost čine ultrazvučne procesore dobrom alternativom tradicionalnoj opremi za obradu tekućina. Ultrazvuk nudi dodatne uzbudljive mogućnosti: kavitacija – osnovni ultrazvučni efekat – daje jedinstvene rezultate u biološkim, hemijskim i fizičkim procesima. Na primjer, ultrazvučna disperzija i emulgiranje lako proizvode stabilne formulacije nanometarske veličine. Također, u području ekstrakcije biljnog materijala ultrazvuk je netermalna tehnika za izdvajanje bioaktivnih spojeva.

Ultrazvučno miješanje temelji se na akustičnoj kavitaciji i njezinim hidrodinamičkim smičnim silama.

Dok se ultrazvuk niskog intenziteta ili visoke frekvencije uglavnom koristi za analizu, nerazorno ispitivanje i snimanje, ultrazvuk visokog intenziteta koristi se za obradu tekućina i pasta, pri čemu se intenzivni ultrazvučni valovi koriste za miješanje, emulgiranje, disperziju i deaglomeraciju, dezintegraciju ćelija ili deaktivaciju enzima. Pri ultrazvučnoj obradi tekućina visokim intenzitetima zvučni valovi se šire kroz tekući medij. To dovodi do naizmjeničnih ciklusa visokog tlaka (kompresija) i niskog tlaka (razrjeđenje), čija brzina ovisi o frekvenciji. Tokom ciklusa niskog tlaka ultrazvučni valovi visokog intenziteta stvaraju male vakuumske mjehuriće ili šupljine u tekućini. Kada mjehurići dosegnu zapreminu pri kojoj više ne mogu apsorbirati energiju, silovito kolabiraju tokom ciklusa visokog tlaka. Ta pojava naziva se kavitacija. Tokom implozije lokalno se postižu vrlo visoke temperature (otprilike 5.000K) i tlakovi (otprilike 2.000atm). Implozija kavitacijskog mjehurića također dovodi do mlazeva tekućine brzine do 280 metara u sekundi.

Ultrazvučna kavitacija u tekućinama može uzrokovati brzo i potpuno odzračivanje; pokrenuti razne hemijske reakcije stvaranjem slobodnih hemijskih iona (radikala); ubrzati hemijske reakcije olakšavanjem miješanja reaktanata; poboljšati reakcije polimerizacije i depolimerizacije disperzijom agregata ili trajnim kidanjem hemijskih veza u polimernim lancima; povećati brzine emulgiranja; poboljšati brzine difuzije; proizvesti vrlo koncentrirane emulzije ili ujednačene disperzije materijala mikrometarske ili nanometarske veličine; pomoći pri ekstrakciji tvari kao što su enzimi iz životinjskih, biljnih, kvaščevih ili bakterijskih ćelija; ukloniti viruse iz zaraženog tkiva; i naposljetku, erodirati i razgraditi podložne čestice, uključujući mikroorganizme. (usp. Kuldiloke 2002)

Ultrazvuk visokog intenziteta stvara snažno komešanje u tekućinama niske viskoznosti, što se može iskoristiti za disperziju materijala u tekućinama. (usp. Ensminger, 1988) Na granicama faza tekuće/čvrsto ili plinovito/čvrsto asimetrična implozija kavitacijskih mjehurića može uzrokovati ekstremne turbulencije koje smanjuju difuzijski granični sloj, povećavaju konvekcijski prijenos mase i znatno ubrzavaju difuziju u sistemima u kojima uobičajeno miješanje nije moguće. (usp. Nyborg, 1965)

Literatura

• 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).