Využití výkonového ultrazvuku pomocí ultrazvukových sonotrod

Ultrazvukové sonotrody neboli sondy se široce používají pro rozmanité aplikace zpracování kapalin, včetně homogenizace, dispergace, mokrého mletí, emulgace, extrakce, dezintegrace, rozpouštění a odvzdušňování. Seznamte se se základy ultrazvukových sonotrod, ultrazvukových sond a jejich aplikací.

Ultrazvukový koncentrátor vs. ultrazvuková sonda

Pojmy ultrazvukový koncentrátor (angl. horn) a sonda se často používají zaměnitelně a označují ultrazvukovou tyč, která přenáší ultrazvukové vlny do kapaliny. Další pojmy používané pro ultrazvukovou sondu jsou akustický koncentrátor, sonotroda, akustický vlnovod nebo ultrazvukový prst. Technicky však mezi ultrazvukovým koncentrátorem a ultrazvukovou sondou existuje rozdíl.
Oba pojmy, koncentrátor i sonda, označují části takzvaného sonikátoru sondového typu. Ultrazvukový koncentrátor je kovová část ultrazvukového měniče, která je buzena piezoelektricky generovanými vibracemi. Ultrazvukový koncentrátor kmitá na určité frekvenci, např. 20kHz, což znamená 20 000 kmitů za sekundu. Titan je preferovaným materiálem pro výrobu ultrazvukových koncentrátorů díky svým vynikajícím akustickým přenosovým vlastnostem, robustní únavové pevnosti a povrchové tvrdosti.

Ultrazvuková sonda se také nazývá sonotroda nebo ultrazvukový prst. Jde o kovovou tyč, nejčastěji vyrobenou z titanu, která je našroubována na ultrazvukový koncentrátor. Ultrazvuková sonda je nezbytnou součástí ultrazvukového procesoru, která přenáší ultrazvukové vlny do sonikovaného média. Ultrazvukové sondy / sonotrody jsou k dispozici v různých tvarech (např. kónické, s hrotem, zúžené nebo jako Cascatrode). Zatímco titan je nejběžněji používaným materiálem pro ultrazvukové sondy, k dispozici jsou také sonotrody z nerezové oceli, keramiky, skla a dalších materiálů.

Protože ultrazvukový koncentrátor a sonda jsou během sonikace vystaveny neustálému tlakovému nebo tahovému namáhání, je volba materiálu koncentrátoru a sondy zásadní. Vysoce kvalitní titanová slitina (grade 5) je považována za nejspolehlivější, nejodolnější a nejúčinnější kov, který odolává namáhání, vydrží vysoké amplitudy po dlouhou dobu a přenáší akustické a mechanické vlastnosti.

Rozpouštění je běžnou aplikací ultrazvuku. Video ukazuje rychlé rozpouštění krystalů cukru ve vodě pomocí přístroje Hielscher UP200St.

Vysoce výkonné sonikátory pracují většinou ve frekvenčním rozsahu 20–30kHz. Při 20 kHz je ultrazvuková sonda typicky rezonanční tyč o délce poloviny vlnové délky, která se neustále roztahuje a smršťuje 20 000krát za sekundu. Pohyby roztahování a smršťování se přenášejí jako vysoce výkonný ultrazvuk do procesního média, tj. kapaliny nebo suspenze, za účelem realizace aplikací, jako jsou

• ultrazvukové míchání s vysokým smykem
• ultrazvukové mokré mletí
• ultrazvuková disperze nanočástic
• ultrazvuková nanoemulgace
• ultrazvuková extrakce
• ultrazvuková dezintegrace
• ultrazvuková dezintegrace buněk a lyze
• ultrazvukové odplyňování a odvzdušňování
• sonochemie (sonosyntéza, sonokatalýza)

Jak funguje výkonový ultrazvuk? – Princip akustické kavitace

Pro vysoce výkonné ultrazvukové aplikace, jako je homogenizace, zmenšování velikosti částic, dezintegrace nebo nanodisperze, je vysoce intenzivní nízkofrekvenční ultrazvuk generován ultrazvukovým měničem a přenášen přes ultrazvukový koncentrátor a sondu (sonotrodu) do kapaliny. Za vysoce výkonný ultrazvuk se považuje ultrazvuk v rozsahu 16–30kHz. Ultrazvuková sonda se roztahuje a smršťuje např. při 20kHz, a přenáší tak do média odpovídajícím způsobem 20 000 kmitů za sekundu. Když ultrazvukové vlny procházejí kapalinou, střídající se cykly vysokého tlaku (komprese) / nízkého tlaku (zředění / expanze) vytvářejí drobné dutiny (vakuové bubliny), které rostou v průběhu několika tlakových cyklů. Během kompresní fáze kapaliny a bublin je tlak kladný, zatímco fáze zředění vytváří vakuum (záporný tlak). Během cyklů komprese a expanze dutiny v kapalině rostou, dokud nedosáhnou velikosti, při níž již nemohou absorbovat další energii. V tomto okamžiku prudce implodují. Imploze těchto dutin vede k různým vysoce energetickým efektům, které jsou známé jako fenomén akustické / ultrazvukové kavitace. Akustická kavitace se vyznačuje rozmanitými vysoce energetickými efekty, které působí na kapaliny, systémy pevná látka/kapalina i systémy plyn/kapalina. Energeticky hustá zóna neboli kavitační zóna je známá jako takzvaná zóna hot-spotů, která je energeticky nejhustší v těsné blízkosti ultrazvukové sondy a s rostoucí vzdáleností od sonotrody slábne. Mezi hlavní charakteristiky ultrazvukové kavitace patří lokálně se vyskytující velmi vysoké teploty a tlaky a jejich příslušné rozdíly, turbulence a proudění kapaliny. Během imploze ultrazvukových dutin v ultrazvukových hot-spotech lze naměřit teploty až 5000 Kelvinů, tlaky až 200 atmosfér a proudy kapaliny o rychlosti až 1000km/h. Tyto mimořádné energeticky intenzivní podmínky přispívají k sonomechanickým a sonochemickým efektům, které různými způsoby intenzifikují procesy a chemické reakce.
Hlavní účinky sonikace na kapaliny a suspenze jsou následující:

• Vysoký smyk: Ultrazvukové vysoké smykové síly narušují kapaliny a systémy kapalina–pevná látka a způsobují intenzivní míchání, homogenizaci a přenos hmoty.
• Náraz: Proudy kapaliny a proudění generované ultrazvukovou kavitací urychlují pevné částice v kapalinách, což následně vede ke srážkám mezi částicemi. Když se částice srážejí při velmi vysokých rychlostech, erodují, tříští se a jsou jemně mlety a dispergovány, často až na nanovelikost. U biologického materiálu, jako jsou rostlinné materiály, narušují vysokorychlostní proudy kapaliny a střídající se tlakové cykly buněčné stěny a uvolňují intracelulární materiál. To vede k vysoce účinné extrakci bioaktivních sloučenin a k homogennímu míchání biologického materiálu.
• Míchání: Sonikace způsobuje intenzivní turbulence, smykové síly a mikropohyby v kapalině nebo suspenzi. Sonikace tím vždy intenzifikuje přenos hmoty, a tím urychluje reakce a procesy.

Ultrazvukové homogenizátory a mixéry s vysokým smykem se používají téměř v každém zpracovatelském odvětví, které pracuje s kapalinami nebo suspenzemi. Intenzivní ultrazvukové kavitační síly vytvářejí intenzivní míchání, smyk, rozbíjení částic a přenos hmoty. Kapaliny jsou tak homogenizovány, dispergovány, emulgovány, extrahovány, rozpouštěny a/nebo jsou iniciovány chemické reakce. Celkově je sonikace metodou intenzifikace procesů, která zvyšuje výtěžnost, zlepšuje míru konverze a zefektivňuje procesy.
Běžné ultrazvukové aplikace v průmyslu jsou rozšířeny v mnoha odvětvích potravinářství a farmacie, jemné chemie, energetiky a petrochemie, recyklace, biorafinérií atd. a zahrnují následující:

• ultrazvuková syntéza bionafty
• ultrazvuková homogenizace ovocných šťáv
• ultrazvuková výroba vakcín
• ultrazvuková recyklace Li-ion baterií
• ultrazvuková syntéza nanomateriálů
• ultrazvuková formulace léčiv
• ultrazvuková nanoemulgace CBD
• ultrazvuková extrakce rostlinných látek
• ultrazvuková příprava vzorků v laboratořích
• ultrazvukové odplyňování kapalin
• ultrazvukové odsiřování ropy
• a mnoho dalších …

Ultrazvukové sonotrody a sondy pro vysoce výkonné aplikace

Hielscher Ultrasonics je dlouholetým zkušeným výrobcem a distributorem vysoce výkonných sonikátorů, které se celosvětově používají pro náročné aplikace v mnoha odvětvích.
S ultrazvukovými procesory všech velikostí od 50 wattů do 16kW na zařízení, sondami různých velikostí a tvarů a ultrazvukovými reaktory s různými objemy a geometriemi má Hielscher Ultrasonics správné vybavení pro konfiguraci ideální ultrazvukové sestavy pro vaši aplikaci.
Níže uvedená tabulka vám poskytuje přehled o přibližné zpracovatelské kapacitě našich sonikátorů: