Ultrazvuk: primjene i procesi

Ultrazvuk je mehanička metoda obrade koja stvara akustičnu kavitaciju i visoko intenzivne fizičke sile. Stoga se ultrazvuk koristi za brojne primjene kao što su miješanje, homogenizacija, mljevenje, disperzija, emulgiranje, ekstrakcija, otplinjavanje i sono-hemijske reakcije.
U nastavku ćete naučiti sve o tipičnim ultrazvučnim aplikacijama i procesima.

ultrazvučno homogeniziranje

Ultrazvučni homogenizatori smanjuju male čestice u tekućini kako bi poboljšali uniformnost i stabilnost disperzije. Čestice (disperzna faza) mogu biti čvrste materije ili tečne kapljice suspendovane u tečnoj fazi. Ultrazvučna homogenizacija je vrlo efikasna za smanjenje mekih i tvrdih čestica. Hielscher proizvodi ultrasonikatore za homogenizaciju bilo kojeg volumena tekućine i za serijsku ili inline obradu. Laboratorijski ultrazvučni uređaji mogu se koristiti za zapremine od 1,5mL do cca. 4L. Ultrazvučni industrijski uređaji mogu obraditi serije od 0,5 do cca. 2000L ili protok od 0,1L do 20 kubnih metara na sat u razvoju procesa iu komercijalnoj proizvodnji.
Kliknite ovdje da pročitate više o ultrazvučnoj homogenizaciji!

Ultrazvučno raspršivanje i deaglomeracija

Disperzija i deaglomeracija čvrstih materija u tečnosti je važna primena ultrazvučnih aparata tipa sonde. Ultrazvučna/akustična kavitacija stvara velike sile smicanja koje razbijaju aglomerate čestica u pojedinačne, pojedinačne dispergirane čestice. Miješanje praha u tekućine uobičajen je korak u formulaciji različitih proizvoda, kao što su boje, lakovi, kozmetički proizvodi, hrana i pića ili sredstva za poliranje. Pojedinačne čestice zajedno drže sile privlačenja različite fizičke i kemijske prirode, uključujući van-der-Waalsove sile i površinsku napetost tekućine. Ultrasonication savladava ove sile privlačenja kako bi deaglomerirao i raspršio čestice u tekućim medijima. Za raspršivanje i deaglomeraciju prahova u tečnostima, ultrazvučna obrada visokog intenziteta je zanimljiva alternativa homogenizatorima visokog pritiska, mikserima sa visokim smicanjem, mlinovima za perle ili rotor-stator-mešalicama.
Kliknite ovdje da pročitate više o ultrazvučnom raspršivanju i deaglomeraciji!

Ultrazvučna emulzifikacija

Širok spektar poluproizvoda i proizvoda široke potrošnje, kao što su kozmetika i losioni za kožu, farmaceutske masti, lakovi, boje i maziva i goriva u potpunosti ili djelomično bazirani su na emulzijama. Emulzije su disperzije dvije ili više tekućih faza koje se ne miješaju. Visoko intenzivan ultrazvuk daje dovoljno intenzivnog smicanja da rasprši tečnu fazu (disperzovanu fazu) u malim kapljicama u drugoj fazi (kontinuirana faza). U zoni raspršivanja, implodirajući kavitacijski mjehurići uzrokuju intenzivne udarne valove u okolnoj tekućini i rezultiraju stvaranjem tekućih mlazova velike brzine tekućine (visokog smicanja). Ultrasonication se može precizno prilagoditi ciljanoj veličini emulzije, omogućavajući time pouzdanu proizvodnju mikro-emulzija i nano-emulzija.
Kliknite ovdje da pročitate više o ultrazvučnoj emulzifikaciji!

Ultrazvučno mokro mljevenje i mljevenje

Ultrazvučna obrada je efikasno sredstvo za mokro mlevenje i mikro mlevenje čestica. Ultrazvuk ima mnogo prednosti za proizvodnju superfine suspenzije. On je superioran u odnosu na tradicionalnu opremu za smanjenje veličine, kao što su: koloidni mlinovi (npr. kuglični mlinovi, mlinovi sa perlama), mlinovi sa diskovima ili mlinovi sa mlazom. Ultrasonication može obraditi mulj visoke koncentracije i visokog viskoziteta – na taj način smanjuje volumen koji se obrađuje. Naravno, ultrazvučno mljevenje je pogodno za obradu materijala mikronske i nano-veličine, kao što su keramika, pigmenti, barij sulfat, kalcijum karbonat ili metalni oksidi. Pogotovo kada su u pitanju nanomaterijali, ultrazvučna obrada se ističe u performansama jer njegove snažne smične sile stvaraju ujednačeno male nanočestice.
Kliknite ovdje da pročitate više o ultrazvučnom mokrom mljevenju i mikro mljevenju!

TiO2 sušen raspršivanjem prije i poslije ultrazvučnog mljevenja

Ultrazvučna dezintegracija i liza ćelija

Ultrazvučni tretman može dezintegrirati vlaknasti, celulozni materijal na fine čestice i razbiti zidove ćelijske strukture. Ovo oslobađa više unutarćelijskog materijala, poput škroba ili šećera u tekućinu. Ovaj efekat se može koristiti za fermentaciju, varenje i druge procese konverzije organske materije. Nakon mljevenja i mljevenja, ultrazvuk čini više unutarćelijskog materijala, npr. škroba, kao i ostataka ćelijskog zida dostupnim enzimima koji pretvaraju škrob u šećere. Takođe povećava površinu izloženu enzimima tokom ukapljivanja ili saharifikacije. Ovo obično povećava brzinu i prinos fermentacije kvasca i drugih procesa konverzije, npr. da bi se povećala proizvodnja etanola iz biomase.
Kliknite ovdje da pročitate više o ultrazvučnoj dezintegraciji ćelijskih struktura!

Ultrazvučna ekstrakcija biljaka

Ekstrakcija bioaktivnih jedinjenja pohranjenih u ćelijama i supćelijskim česticama je široko rasprostranjena primena ultrazvuka visokog intenziteta. Ultrazvučna ekstrakcija se koristi za izolaciju sekundarnih metabolita (npr. polifenola), polisaharida, proteina, eteričnih ulja i drugih aktivnih sastojaka iz ćelijskog matriksa biljaka i gljiva. Pogodno za ekstrakciju organskih jedinjenja vodom i rastvaračem, ultrazvuk značajno poboljšava prinos biljaka ili sjemena. Ultrazvučna ekstrakcija se koristi za proizvodnju farmaceutskih proizvoda, nutraceutika / dodataka ishrani, mirisa i bioloških aditiva. Ultrazvuk je tehnika zelene ekstrakcije koja se također koristi za ekstrakciju bioaktivnih komponenti u biorafinerijama, npr. oslobađanje vrijednih jedinjenja iz tokova neiskorišćenih nusproizvoda formiranih u industrijskim procesima. Ultrazvuk je visoko efikasna tehnologija za botaničku ekstrakciju u laboratoriji i proizvodnoj skali.
Kliknite ovdje za više informacija o ultrazvučnoj ekstrakciji!

Sonohemijska primena ultrazvuka

Sonohemija je primena ultrazvuka na hemijske reakcije i procese. Mehanizam koji izaziva sonohemijske efekte u tečnostima je fenomen akustične kavitacije. Sonohemijski efekti na hemijske reakcije i procese uključuju povećanje brzine reakcije ili izlaza, efikasnije korišćenje energije, poboljšanje performansi katalizatora faznog transfera, aktivaciju metala i čvrstih materija ili povećanje reaktivnosti reagensa ili katalizatora.
Kliknite ovdje da pročitate više o sonohemijskim efektima ultrazvuka!

Ultrazvučna transesterifikacija ulja u biodizel

Ultrazvučna obrada povećava brzinu hemijske reakcije i prinos transesterifikacije biljnih ulja i životinjskih masti u biodizel. Ovo omogućava promjenu proizvodnje sa serijske obrade na kontinuiranu protočnu obradu i smanjuje investicijske i operativne troškove. Jedna od glavnih prednosti proizvodnje ultrazvučnog biodizela je korištenje otpadnih ulja kao što su istrošeno ulje za kuhanje i drugi izvori ulja lošeg kvaliteta. Ultrazvučna transesterifikacija može pretvoriti čak i sirovinu niske kvalitete u visokokvalitetni biodizel (metil ester masnih kiselina / FAME). Proizvodnja biodizela od biljnih ulja ili životinjskih masti, uključuje bazno kataliziranu transesterifikaciju masnih kiselina metanolom ili etanolom kako bi se dobili odgovarajući metil ester ili etil ester. Ultrazvukom se može postići prinos biodizela od preko 99%. Ultrazvuk značajno smanjuje vrijeme obrade i vrijeme razdvajanja.
Kliknite ovdje da pročitate više o ultrazvučno potpomognutoj transesterifikaciji ulja u biodizel!

Ultrazvučno otplinjavanje i de-aeracija tečnosti

Otplinjavanje tekućina je još jedna važna primjena ultrazvučnih aparata tipa sonde. Ultrazvučne vibracije i kavitacija uzrokuju stapanje otopljenih plinova u tekućini. Kako se sitni mjehurići plina spajaju, oni formiraju veće mjehuriće koji brzo plutaju na gornju površinu tečnosti odatle se mogu ukloniti. Dakle, ultrazvučno otplinjavanje i odzračivanje mogu smanjiti nivo otopljenog gasa ispod nivoa prirodne ravnoteže.
Kliknite ovdje da pročitate više o ultrazvučnom otplinjavanju tekućina!

Ultrazvučno čišćenje žica, kablova i traka

Ultrazvučno čišćenje je ekološki prihvatljiva alternativa za čišćenje kontinuiranih materijala, kao što su žice i kablovi, trake ili cijevi. Efekat moćne ultrazvučne kavitacije uklanja ostatke podmazivanja poput ulja ili masti, sapuna, stearata ili prašine sa površine materijala. Hielscher Ultrasonics nudi različite ultrazvučne sisteme za inline čišćenje kontinuiranih profila.
Kliknite ovdje za više informacija o ultrazvučnom čišćenju kontinuiranih profila!

Šta Sonication čini superiornom metodom obrade?

Sonikacija, ili upotreba visokofrekventnih zvučnih talasa za agitaciju tečnosti, je efikasna metoda obrade iz raznih razloga. Evo nekoliko razloga zašto ultrazvuk visokog intenziteta i niske frekvencije od cca. 20kHz je posebno upečatljiv i povoljan za obradu tekućina i mulja:

1. kavitacija: Jedan od glavnih mehanizama sonikacije je stvaranje i kolaps sitnih mjehurića, fenomen koji se zove kavitacija. Na 20 kHz, zvučni talasi su na pravoj frekvenciji da efikasno stvaraju i kolabiraju mehuriće. Kolaps ovih mehurića proizvodi udarne talase visoke energije, koji mogu razbiti čestice i poremetiti ćelije u tečnosti koja se obrađuje ultrazvukom.
2. Oscilacije i vibracije: Osim generirane akustične kavitacije, oscilacija ultrazvučne sonde stvara dodatno miješanje i miješanje u tekućini, čime se potiče prijenos mase i/ili otplinjavanje.
3. penetracija: Zvučni talasi na 20 kHz imaju relativno dugu talasnu dužinu, što im omogućava da duboko prodiru u tečnosti. Ultrazvučna kavitacija je lokalizirana pojava koja se javlja u okruženju ultrazvučne sonde. Sa povećanjem udaljenosti od sonde, intenzitet kavitacije se smanjuje. Međutim, sonikacija na 20 kHz može efikasno tretirati veće količine tečnosti, u poređenju sa ultrazvučnom obradom veće frekvencije koja ima kraće talasne dužine i može biti ograničenija u dubini prodiranja.
4. Niska potrošnja energije: Sonikacija se može postići uz relativno nisku potrošnju energije u poređenju s drugim metodama obrade kao što su homogenizacija pod visokim pritiskom ili mehaničko miješanje. To ga čini energetski efikasnijim i isplativijim metodom za obradu tekućina.
5. Linearna skalabilnost: Ultrazvučni procesi se mogu potpuno linearno skalirati na veće ili manje zapremine. To čini prilagodbe procesa u proizvodnji pouzdanim jer se kvalitet proizvoda može održavati kontinuirano stabilnim.
6. Batch i inline tok: Ultrasonication se može izvoditi kao serija ili kao kontinuirani inline procesi. Za ultrazvučnu obradu serija, ultrazvučna sonda se ubacuje u otvorenu posudu ili zatvoreni šaržni reaktor. Za sonikaciju kontinuiranog protoka, ugrađena je ultrazvučna protočna ćelija. Tečni medij prolazi sonotrodu (ultrazvučno vibrirajući štap) u jednom prolazu ili recirkulaciji i vrlo je ujednačen i efikasan izložen ultrazvučnim talasima.

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

Princip rada i upotreba ultrazvučne obrade

Ultrasonication je komercijalna tehnologija obrade koju su usvojile brojne industrije za proizvodnju velikih razmjera. Visoka pouzdanost i skalabilnost, kao i niski troškovi održavanja i visoka energetska efikasnost čine ultrazvučne procesore dobrom alternativom za tradicionalnu opremu 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 emulzifikacija lako proizvode stabilne formulacije nano veličine. Također u polju botaničke ekstrakcije, ultrazvuk je netermalna tehnika za izolaciju bioaktivnih spojeva.

Dok se ultrazvuk niskog intenziteta ili visoke frekvencije uglavnom koristi za analizu, ispitivanje bez razaranja i snimanje, ultrazvuk visokog intenziteta se koristi za obradu tekućina i pasta, gdje se intenzivni ultrazvučni valovi koriste za miješanje, emulgiranje, dispergiranje i deaglomeraciju , dezintegraciju ćelije ili deaktivaciju enzima. Prilikom ultrazvučne obrade tekućina visokog intenziteta, zvučni valovi se šire kroz tekući medij. Ovo rezultira naizmjeničnim ciklusima visokog tlaka (kompresija) i niskog tlaka (razrjeđivanje), sa brzinama koje zavise od frekvencije. Tokom ciklusa niskog pritiska, ultrazvučni talasi visokog intenziteta stvaraju male vakuumske mehuriće ili praznine u tečnosti. Kada mjehurići dostignu zapreminu pri kojoj više ne mogu apsorbirati energiju, oni se snažno kolabiraju tokom ciklusa visokog pritiska. Ovaj fenomen se naziva kavitacija. Tokom implozije lokalno se postižu vrlo visoke temperature (cca. 5.000 K) i pritisci (cca. 2.000 atm). Implozija kavitacionog mjehura također rezultira mlazovima tekućine brzine do 280 metara u sekundi.

Ultrazvučna kavitacija u tekućinama može uzrokovati brzo i potpuno otplinjavanje; iniciraju različite hemijske reakcije stvaranjem slobodnih hemijskih jona (radikala); ubrzavaju hemijske reakcije olakšavanjem miješanja reaktanata; pojačavaju reakcije polimerizacije i depolimerizacije disperziranjem agregata ili trajnim razbijanjem hemijskih veza u polimernim lancima; povećati stope emulgiranja; poboljšati stope difuzije; proizvode visoko koncentrirane emulzije ili ujednačene disperzije materijala mikronske ili nano-veličine; pomažu ekstrakciju tvari kao što su enzimi iz životinjskih, biljnih, kvasnih ili bakterijskih stanica; ukloniti viruse iz inficiranog tkiva; i konačno, erodiraju i razgrađuju osjetljive čestice, uključujući mikroorganizme. (usp. Kuldiloke 2002)

Ultrazvuk visokog intenziteta proizvodi nasilnu agitaciju u tečnostima niske viskoznosti, koje se mogu koristiti za raspršivanje materijala u tečnostima. (cf. Ensminger, 1988) Na sučeljima tekućina/čvrsto ili plin/čvrsto, asimetrična implozija kavitacijskih mjehurića može uzrokovati ekstremne turbulencije koje smanjuju granični sloj difuzije, povećavaju konvekcijski prijenos mase i značajno ubrzavaju difuziju u sistemima gdje je uobičajeno miješanje nemoguće. (up. Nyborg, 1965.)

Književnost