Ultrazvuk: aplikace a procesy

Ultrazvuku je metoda mechanického zpracování, která vytváří mimořádně intenzivní akustickou kavitaci a související fyzikální síly, jako jsou vysoké smykové síly a vysokotlaké rozdíly. Tyto ultrazvukem generované síly se používají pro četné aplikace, jako je míchání, homogenizace, frézování, disperze, emulgace, extrakce a sono-chemické reakce.
Níže najdete výběr nejtypičtějších ultrazvukových aplikací a procesů.

ultrazvukové homogenizaci

Ultrazvukové homogenizátory snižují malé částice v kapalině, aby se zlepšila rovnoměrnost a stabilita disperze. Částice (disperzní fáze) mohou být pevné látky nebo kapalné kapičky suspendované v kapalné fázi. Ultrazvuková homogenizace je velmi účinná pro snížení měkkých a tvrdých částic. Hielscher vyrábí ultrasonicators pro homogenizaci jakéhokoli objemu kapaliny a pro dávkové nebo inline zpracování. Laboratorní ultrazvukové přístroje lze použít pro objemy od 1,5 ml do cca 4 L. Ultrazvuková průmyslová zařízení mohou zpracovávat dávky od 0,5 do cca. 2000L nebo průtoky od 0,1L do 20 metrů krychlových za hodinu ve vývoji procesu a v komerční výrobě.
Klikněte zde se dozvíte více o ultrazvukové homogenizaci!

Ultrazvukové dispergační a rozdružovací

Disperze a deaglomerace pevných látek do kapalin je důležitou aplikací ultrasonicators typu sondy. Ultrazvuková / akustická kavitace vytváří vysoké smykové síly, které rozbíjejí aglomeráty částic na jednotlivé, jednotlivé rozptýlené částice. Míchání prášků do kapalin je běžným krokem při formulaci různých produktů, jako jsou barvy, laky, kosmetické výrobky, potraviny a nápoje nebo lešticí média. Jednotlivé částice jsou drženy pohromadě přitažlivými silami různé fyzikální a chemické povahy, včetně van-der-Waalsových sil a kapalného povrchového napětí. Ultrazvuku překonává tyto přitažlivé síly, aby se deaglomerát a rozptýlil částice v kapalných médiích. Pro dispergaci a deaglomeraci prášků v kapalinách je vysoká intenzita ultrazvuku zajímavou alternativou k vysokotlakým homogenizátorům, vysokosmykovým míchačkám, mlýnům na korálky nebo rotorovým statorovým míchačům.
Klikněte zde se dozvíte více o ultrazvukové dispergační a deagglomeration!

ultrazvukové emulgace

Široká škála meziproduktů a spotřebních výrobků, jako jsou kosmetika a pleťové vody, farmaceutické masti, laky, barvy a maziva a paliva, je zcela nebo zčásti založena na emulzích. Emulze jsou disperze dvou nebo více nemísitelných kapalných fází. Vysoce intenzivní ultrazvuk dodává dostatečně intenzivní smyk k rozptýlení kapalné fáze (dispergované fáze) v malých kapičkách ve druhé fázi (kontinuální fáze). V dispergační zóně způsobují implodující kavitační bubliny intenzivní rázové vlny v okolní kapalině a vedou k tvorbě kapalných trysek s vysokou rychlostí kapaliny (vysoký smyk). Ultrazvuku lze přesně přizpůsobit cílové velikosti emulze, což umožňuje spolehlivou výrobu mikroemulzí a nanoemulzí.
Klikněte zde se dozvíte více o ultrazvukové emulgaci!

Ultrazvukový Mokrá-frézovací a brusné

Ultrazvuku je účinným prostředkem pro mokré frézování a mikrobroušení částic. Zejména pro výrobu superjemných suspenzí má ultrazvuk mnoho výhod. Je lepší než tradiční zařízení pro zmenšení velikosti, jako jsou: koloidní mlýny (např. Kulové mlýny, korálkové mlýny), kotoučové mlýny nebo tryskové mlýny. Ultrazvuku může zpracovat vysoce koncentrované a vysoce viskózní suspenze - čímž se snižuje objem, který má být zpracován. Ultrazvukové frézování je samozřejmě vhodné pro zpracování materiálů velikosti mikronů a nano velikostí, jako je keramika, pigmenty, síran barnatý, uhličitan vápenatý nebo oxidy kovů. Zvláště pokud jde o nanomateriály, ultrazvuku vyniká výkonem, protože jeho vysoce účinné smykové síly vytvářejí rovnoměrně malé nanočástice.
Klikněte zde se dozvíte více o ultrazvukové mokrého mletí a mikro-broušení!

TiO2 sušený postřikem před a po ultrazvukovém frézování

Ultrazvukový rozpad buněk a lýza

Ultrazvukové ošetření může rozložit vláknitý, celulózový materiál na jemné částice a rozbít stěny buněčné struktury. Tím se uvolní více intrabuněčného materiálu, jako je škrob nebo cukr do kapaliny. Tento účinek lze použít pro fermentaci, trávení a další konverzní procesy organické hmoty. Po frézování a mletí, ultrazvuku dělá více z intrabuněčného materiálu, např. škrob, stejně jako buněčné stěny nečistoty dostupné enzymům, které přeměňují škrob na cukry. Zvyšuje také povrchovou plochu vystavenou enzymům během zkapalnění nebo sacharifikace. To obvykle zvyšuje rychlost a výtěžnost fermentace kvasinek a dalších procesů přeměny, např.
Klikněte zde se dozvíte více o ultrazvukové rozpadu buněčných struktur!

ultrazvuková extrakce rostlinných látek

Extrakce bioaktivních sloučenin uložených v buňkách a subcelulárních částicích je široce používanou aplikací ultrazvuku s vysokou intenzitou. Ultrazvuková extrakce se používá k izolaci sekundárních metabolitů (např. Polyfenoly), polysacharidů, proteinů, éterických olejů a dalších účinných látek z buněčné matrice rostlin a hub. Vhodné pro extrakci organických sloučenin vodou a rozpouštědlem, sonikace výrazně zlepšuje výnos rostlin obsažených v rostlinách nebo semenech. Ultrazvuková extrakce se používá pro výrobu léčiv, nutraceutik / výživových doplňků, vůní a biologických přísad. Ultrazvuk je zelená extrakční technika, která se také používá k extrakci bioaktivních složek v biorafinériích, např. Uvolňuje cenné sloučeniny z nevyužitých toků vedlejších produktů vytvořených v průmyslových procesech. Ultrazvuku je vysoce účinná technologie pro botanickou extrakci v laboratorním a výrobním měřítku.
Klikněte zde pro více informací o ultrazvukové extrakci!

Sonochemická Aplikace Ultrazvuk

Sonochemie je aplikace ultrazvuku na chemické reakce a procesy. Mechanismus způsobující sonochemické účinky v kapalinách je fenomén akustické kavitace. Mezi sonochemické účinky na chemické reakce a procesy patří zvýšení reakční rychlosti nebo výkonu, účinnější spotřeba energie, zlepšení výkonu katalyzátorů fázového přenosu, aktivace kovů a pevných látek nebo zvýšení reaktivity činidel nebo katalyzátorů.
Klikněte zde se dozvíte více o sonochemická účinky ultrazvuku!

Ultrazvukový Transesterifikace ropy na Biodiesel

Ultrazvuku zvyšuje rychlost chemické reakce a výtěžek transesterifikace rostlinných olejů a živočišných tuků na bionaftu. To umožňuje změnu výroby z dávkového zpracování na kontinuální průtokové zpracování a snižuje investiční a provozní náklady. Jednou z hlavních výhod ultrazvukové výroby bionafty je použití odpadních olejů, jako jsou použité kuchyňské oleje a další nekvalitní zdroje olejů. Ultrazvuková transesterifikace může přeměnit i nekvalitní surovinu na vysoce kvalitní bionaftu (methylester mastných kyselin / FAME). Výroba bionafty z rostlinných olejů nebo živočišných tuků zahrnuje transesterifikaci mastných kyselin katalyzovanou na bázi methanolem nebo ethanolem za vzniku odpovídajících methylesterů nebo ethylesterů. Ultrazvuku může dosáhnout výtěžku bionafty přesahující 99%. Ultrazvuk výrazně zkracuje dobu zpracování a dobu separace.
Klikněte zde se dozvíte více o ultrazvukem asistované transesterifikací oleje do bionafty!

Ultrazvukové odplynění a odvzdušňování kapalin

Odplynění kapalin je další důležitou aplikací ultrazvukových sond. Ultrazvukové vibrace a kavitace způsobují koalescenci rozpuštěných plynů v kapalině. Jak se minutové plynové bubliny spojují, vytvářejí tak větší bubliny, které rychle plavou na horní povrch kapaliny, odkud mohou být odstraněny. Ultrazvukové odplynění a odvzdušnění tak může snížit hladinu rozpuštěného plynu pod přirozenou rovnovážnou úroveň.
Klikněte zde se dozvíte více o ultrazvukové odplynění tekutin!

Ultrazvuková Dráty, kabely a Strip Čištění

Ultrazvukové čištění je ekologickou alternativou pro čištění spojitých materiálů, jako jsou dráty a kabely, pásky nebo trubky. Účinek silné ultrazvukové kavitace odstraňuje zbytky mazání, jako je olej nebo mazivo, mýdla, stearáty nebo prach z povrchu materiálu. Hielscher Ultrasonics nabízí různé ultrazvukové systémy pro inline čištění kontinuálních profilů.
Klikněte zde pro více informací o ultrazvukovém čištění kontinuálních profilů!

Pracovní princip a použití ultrazvukového zpracování

Ultrazvuku je komerční technologie zpracování, která byla přijata mnoha průmyslovými odvětvími pro výrobu ve velkém měřítku. Vysoká spolehlivost a škálovatelnost, stejně jako nízké náklady na údržbu a vysoká energetická účinnost činí ultrazvukové procesory dobrou alternativou pro tradiční zařízení pro zpracování kapalin. Ultrazvuk nabízí další vzrušující příležitosti: Kavitace - základní ultrazvukový efekt - produkuje jedinečné výsledky v biologických, chemických a fyzikálních procesech. Například ultrazvuková disperze a emulgace snadno produkuje stabilní nano-velké formulace. Také v oblasti botanické extrakce je ultrazvuk netepelnou technikou pro izolaci bioaktivních sloučenin.

Zatímco ultrazvuk s nízkou intenzitou nebo vysokou frekvencí se používá hlavně pro analýzu, nedestruktivní testování a zobrazování, ultrazvuk s vysokou intenzitou se používá pro zpracování kapalin a past, kde se intenzivní ultrazvukové vlny používají pro míchání, emulgaci, dispergaci a deaglomeraci, rozpad buněk nebo deaktivaci enzymů. Při sonikaci kapalin při vysokých intenzitách se zvukové vlny šíří kapalným médiem. Výsledkem jsou střídavé vysokotlaké (kompresní) a nízkotlaké (zředěné) cykly, přičemž rychlosti závisí na frekvenci. Během nízkotlakého cyklu vytvářejí ultrazvukové vlny s vysokou intenzitou malé vakuové bubliny nebo dutiny v kapalině. Když bubliny dosáhnou objemu, při kterém již nemohou absorbovat energii, prudce se zhroutí během vysokotlakého cyklu. Tento jev se nazývá kavitace. Během imploze jsou lokálně dosahovány velmi vysoké teploty (cca 5 000 K) a tlaky (cca 2 000 K). Imploze kavitační bubliny má také za následek kapalné trysky rychlostí až 280 metrů za sekundu.

Ultrazvuková kavitace v kapalinách může způsobit rychlé a úplné odplynění; iniciovat různé chemické reakce generováním volných chemických iontů (radikálů); urychlit chemické reakce usnadněním míchání reaktantů; zvyšuje polymerační a depolymerizační reakce dispergačními agregáty nebo trvalým rozbitím chemických vazeb v polymerních řetězcích; zvýšit míru emulgace; zlepšit rychlost difúze; produkují vysoce koncentrované emulze nebo rovnoměrné disperze materiálů velikosti mikronů nebo nanočásti; napomáhat extrakci látek, jako jsou enzymy ze živočišných, rostlinných, kvasinkových nebo bakteriálních buněk; odstranit viry z infikované tkáně; a konečně erodovat a rozkládat citlivé částice, včetně mikroorganismů. (srov. Kuldiloke 2002)

Ultrazvuk s vysokou intenzitou vytváří prudké míchání v kapalinách s nízkou viskozitou, které lze použít k rozptýlení materiálů v kapalinách. (srov. Ensminger, 1988) Na rozhraní kapalina/pevná látka nebo plyn/pevná látka může asymetrická imploze kavitačních bublin způsobit extrémní turbulence, které snižují hraniční vrstvu difúze, zvyšují přenos konvekční hmoty a výrazně urychlují difúzi v systémech, kde není možné běžné míchání. (srov. Nyborg, 1965)