Aplikace výkonového ultrazvuku pomocí ultrazvukových rohů

Ultrazvukové rohy nebo sondy jsou široce používány pro různé aplikace zpracování kapalin včetně homogenizace, dispergace, mokrého mletí, emulgace, extrakce, dezintegrace, rozpouštění a odvzdušňování. Naučte se základy o ultrazvukových houkačkách, ultrazvukových sondách a jejich aplikacích.

Ultrazvuková houkačka vs ultrazvuková sonda

Termín ultrazvukový roh a sonda se často používají zaměnitelně a odkazují na ultrazvukovou tyč, která přenáší ultrazvukové vlny do kapaliny. Další termíny, které se používají pro ultrazvukovou sondu, jsou akustický roh, sonotroda, akustický vlnovod nebo ultrazvukový prst. Technicky je však rozdíl mezi ultrazvukovou houkačkou a ultrazvukovou sondou.
Oba, roh i sonda, odkazují na části takzvaného ultrazvuku typu sondy. Ultrazvuková houkačka je kovová část ultrazvukového měniče, která je buzena piezoelektricky generovanými vibracemi. Ultrazvuková houkačka vibruje na určité frekvenci, např. 20 kHz, což znamená 20 000 vibrací za sekundu. Titan je preferovaným materiálem pro výrobu ultrazvukových rohů díky svým vynikajícím vlastnostem akustického přenosu, robustní únavové pevnosti a tvrdosti povrchu.

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

Vzhledem k tomu, že ultrazvukový roh a sonda jsou během sonikace pod neustálou kompresí nebo napětím, je rozhodující výběr materiálu rohu a sondy. Vysoce kvalitní slitina titanu (stupeň 5) je považována za nejspolehlivější, nejodolnější a nejúčinnější kov, který odolává namáhání, udržuje vysoké amplitudy po dlouhou dobu a přenáší akustické a mechanické vlastnosti.

Vysoce výkonné ultrazvukové přístroje většinou pracují ve frekvenčním rozsahu 20-30kHz. Při frekvenci 20 kHz je ultrazvuková sonda obvykle rezonanční tyč o délce jedné poloviny vlnové délky, která se neustále rozpíná a smršťuje 20 000krát za sekundu. Expanzní a kontrakční pohyby jsou přenášeny jako vysoce výkonný ultrazvuk do procesního média, tj. kapaliny nebo suspenze, aby se splnily aplikace, jako je

• ultrazvukové míchání s vysokým smykem
• ultrazvukové mokré frézování
• Ultrazvuková disperze nanočástic
• Ultrazvuková nanoemulgace
• Ultrazvuková extrakce
• Ultrazvuková dezintegrace
• Ultrazvukové narušení a lýza buněk
• Ultrazvukové odplyňování a odvzdušňování
• sonochemie (sonosyntéza, sono-katalýza)

Jak funguje výkonový ultrazvuk? – Princip činnosti akustické kavitace

Pro vysoce výkonné ultrazvukové aplikace, jako je homogenizace, zmenšení velikosti částic, rozpad nebo nanodisperze, je ultrazvukový snímač generován vysokofrekvenčním ultrazvukem s vysokou intenzitou a přenášen ultrazvukovým rohem a sondou (sonotrodou) do kapaliny. Za ultrazvuk s vysokým výkonem se považuje ultrazvuk v rozsahu 16-30kHz. Ultrazvuková sonda se roztahuje a smršťuje např. při 20 kHz, čímž do média přenáší 20 000 vibrací za sekundu. Když ultrazvukové vlny procházejí kapalinou, střídání vysokotlakých (kompresních) / nízkotlakých (zředění / expanze) cyklů vytváří nepatrné dutiny (vakuové bubliny), které rostou v několika tlakových cyklech. Během fáze komprese kapaliny a bublin je tlak kladný, zatímco fáze zředění vytváří vakuum (podtlak). Během cyklů komprese a expanze se dutiny v kapalině zvětšují, dokud nedosáhnou velikosti, při které nemohou absorbovat další energii. V tomto okamžiku se prudce zhroutí. Imploze těchto dutin má za následek různé vysoce energetické účinky, které jsou známé jako jev akustické / ultrazvukové kavitace. Akustická kavitace se vyznačuje rozmanitými vysoce energetickými účinky, které působí na kapaliny, systémy pevná látka/kapalina a také na systémy plyn/kapalina. Energeticky hustá zóna nebo kavitační zóna je známá jako takzvaná zóna horkého místa, která je energeticky nejhustší v těsné blízkosti ultrazvukové sondy a klesá s rostoucí vzdáleností od sonotrody. Mezi hlavní charakteristiky ultrazvukové kavitace patří lokálně se vyskytující velmi vysoké teploty a tlaky a příslušné diferenciály, turbulence a proudění kapaliny. Při implozi ultrazvukových dutin v ultrazvukových horkých místech lze měřit teploty až 5000 Kelvinů, tlaky až 200 atmosfér a trysky kapaliny o rychlosti až 1000 km/h. Tyto vynikající energeticky náročné podmínky přispívají k sonomechanickým a sonochemickým účinkům, které různými způsoby zesilují procesy a chemické reakce.
Hlavní dopad ultrazvuku na kapaliny a suspenze je následující:

• Vysoké smykové napětí: Ultrazvukové síly s vysokým smykovým třením narušují kapaliny a systémy kapalina-pevná látka, což způsobuje intenzivní míchání, homogenizaci a přenos hmoty.
• Dopad: Kapalné trysky a proudění generované ultrazvukovou kavitací urychlují pevné látky v kapalinách, což následně vede k interpartikulární kolizi. Když se částice srážejí velmi vysokou rychlostí, erodují, tříští se a jsou rozemlety a jemně rozptýleny, často až do nanovelikosti. U biologické hmoty, jako jsou rostlinné materiály, vysokorychlostní kapalné trysky a cykly střídavého tlaku narušují buněčné stěny a uvolňují intracelulární materiál. Výsledkem je vysoce účinná extrakce bioaktivních sloučenin a homogenní promíchání biologické hmoty.
• Agitace: Ultrazvuku způsobuje intenzivní turbulence, smykové síly a mikropohyb v kapalině nebo kejdě. Tímto způsobem sonikace vždy zintenzivňuje přenos hmoty a tím urychluje reakce a procesy.

Ultrazvukové homogenizátory a mixéry s vysokým smykem se používají téměř ve všech zpracovatelských odvětvích, která pracují s kapalinami nebo kaly. Intenzivní ultrazvukové kavitační síly vytvářejí intenzivní míchání, smyk, lámání částic a přenos hmoty. Kapaliny se tak homogenizují, dispergují, emulgují, extrahují, rozpouštějí a/nebo se iniciují chemické reakce. Celkově je ultrazvuku metoda zintenzivňující proces, která zvyšuje výtěžnost, zlepšuje konverzní poměry a zefektivňuje procesy.
Běžné ultrazvukové aplikace v průmyslu jsou rozšířeny do mnoha odvětví potravinářství & farmacie, jemná chemie, energetika & petrochemie, recyklace, biorafinerie atd. a zahrnují:

• 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 rostlin
• Ultrazvuková příprava vzorků v laboratořích
• Ultrazvukové odplyňování kapalin
• Ultrazvukové odsíření surové ropy
• a mnoho dalších ...

Ultrazvukové houkačky a sondy pro vysoce výkonné aplikace

Hielscher Ultrasonics je dlouholetým výrobcem a distributorem vysoce výkonných ultrasonikátorů, které se celosvětově používají pro náročné aplikace v mnoha průmyslových odvětvích.
S ultrazvukovými procesory ve všech velikostech od 50 wattů do 16 kW na zařízení, sondami různých velikostí a tvarů, ultrazvukovými reaktory s různými objemy a geometriemi, Hielscher Ultrasonics má správné vybavení pro konfiguraci ideálního ultrazvukového nastavení pro vaši aplikaci.
Níže uvedená tabulka vám poskytuje přibližný přehled o zpracovatelské kapacitě našich ultrasonicators: