Ultrazvuk: Aplikace a procesy

Ultrazvuku je metoda mechanického zpracování, která vytváří akustickou kavitaci a vysoce intenzivní fyzikální síly. Proto se ultrazvuk používá pro řadu aplikací, jako je míchání, homogenizace, mletí, disperze, emulgace, extrakce, odplyňování a sonochemické reakce.
Níže se dozvíte vše o typických ultrazvukových aplikacích a procesech.

ultrazvuková homogenizace

Ultrazvukové homogenizátory redukují malé částice v kapalině, aby se zlepšila rovnoměrnost a stabilita disperze. Částicemi (disperzní fáze) mohou být pevné látky nebo kapičky kapaliny suspendované v kapalné fázi. Ultrazvuková homogenizace je velmi účinná pro redukci 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 přibližně 2000 l nebo průtoky od 0,1 l do 20 metrů krychlových za hodinu při vývoji procesů a v komerční výrobě.
Klikněte zde a přečtěte si více o ultrazvukové homogenizaci!

Ultrazvuková dispergace a deaglomerace

Disperze a deaglomerace pevných látek do kapalin je důležitou aplikací ultrazvukových přístrojů typu sondy. Ultrazvuková / akustická kavitace generuje vysoké smykové síly, které rozbíjejí aglomeráty částic na jednotlivé dispergované 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 povrchového napětí kapaliny. Ultrazvuku překonává tyto přitažlivé síly, aby se částice deaglomerovaly a dispergovaly v kapalných médiích. Pro dispergaci a deaglomeraci prášků v kapalinách je ultrazvuku s vysokou intenzitou zajímavou alternativou k vysokotlakým homogenizátorům, mixérům s vysokým smykem, korálkovým mlýnům nebo mixérům rotor-stator-mixéry.
Klikněte zde a přečtěte si více o ultrazvukové dispergaci a deaglomeraci!

Ultrazvuková emulgace

Široká škála meziproduktů a spotřebních produktů, jako je kosmetika a pleťová mléka, farmaceutické masti, laky, barvy a maziva a paliva, je zcela nebo částečně založena na emulzích. Emulze jsou disperze dvou nebo více nemísitelných kapalných fází. Vysoce intenzivní ultrazvuk dodává dostatečně intenzivní smyk na to, aby se kapalná fáze (dispergovaná fáze) rozptýlila v malých kapičkách ve druhé fázi (kontinuální fáze). V disperzní zóně způsobují implodující kavitační bubliny intenzivní rázové vlny v okolní kapalině a vedou k tvorbě kapalných paprsků s vysokou rychlostí kapaliny (vysoký střih). Ultrazvuku lze přesně přizpůsobit cílové velikosti emulze, což umožňuje spolehlivou výrobu mikroemulzí a nanoemulzí.
Klikněte zde a přečtěte si více o ultrazvukové emulgaci!

Ultrazvukové mokré frézování a broušení

Ultrazvuku je účinným prostředkem pro mokré mletí a mikromletí částic. Zejména pro výrobu superjemných suspenzí má ultrazvuk mnoho výhod. Je lepší než tradiční zařízení pro zmenšování velikosti, jako jsou: koloidní mlýny (např. kulové mlýny, kuličkové mlýny), diskové mlýny nebo tryskové mlýny. Ultrazvuku může zpracovávat suspenze s vysokou koncentrací a vysokou viskozitou - a tím snížit objem ke zpracování. Ultrazvukové frézování je samozřejmě vhodné pro zpracování materiálů o velikosti mikronů a nanočástic, jako je keramika, pigmenty, síran barnatý, uhličitan vápenatý nebo oxidy kovů. Zvláště pokud jde o nanomateriály, ultrazvuku vyniká výkonem, protože jeho vysoce působivé smykové síly vytvářejí rovnoměrně malé nanočástice.
Klikněte zde a přečtěte si více o ultrazvukovém mokrém frézování a mikrobroušení!

Rozprašovaný TiO2 před a po ultrazvukovém frézování

Ultrazvukový rozpad a lýza buněk

Ultrazvukové ošetření může rozložit vláknitý celulózový materiál na jemné částice a rozbít stěny buněčné struktury. Tím se do tekutiny uvolní více intracelulárního materiálu, jako je škrob nebo cukr. Tento efekt lze využít pro fermentaci, trávení a další procesy přeměny organické hmoty. Po mletí a mletí ultrazvuku zpřístupní více intracelulárního materiálu, např. škrobu, stejně jako zbytky buněčné stěny enzymům, které přeměňují škrob na cukry. Zvyšuje také povrchovou plochu vystavenou enzymům během zkapalňování nebo cukernatění. To obvykle zvyšuje rychlost a výtěžnost fermentace kvasinek a dalších procesů přeměny, např. pro zvýšení produkce etanolu z biomasy.
Klikněte zde a přečtěte si více o ultrazvukovém rozpadu buněčných struktur!

Ultrazvuková extrakce rostlin

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. polyfenolů), polysacharidů, proteinů, éterických olejů a dalších účinných látek z buněčné matrice rostlin a hub. Vhodné pro extrakci organických sloučenin vodou a rozpouštědly, sonikace výrazně zlepšuje výtěžnost rostlinných látek obsažených v rostlinách nebo semenech. Ultrazvuková extrakce se používá k výrobě léčiv, nutraceutik / doplňků výživy, vonných látek 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 vznikajících 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 ultrazvuku

Sonochemie je aplikace ultrazvuku na chemické reakce a procesy. Mechanismem způsobujícím sonochemické účinky v kapalinách je jev akustické kavitace. Sonochemické účinky na chemické reakce a procesy zahrnují zvýšení reakční rychlosti nebo výkonu, efektivnější využití energie, zlepšení výkonu katalyzátorů přenosu fáze, aktivaci kovů a pevných látek nebo zvýšení reaktivity činidel nebo katalyzátorů.
Klikněte zde a přečtěte si více o sonochemických účincích ultrazvuku!

Ultrazvuková transesterifikace oleje na bionaftu

Ultrazvuku zvyšuje rychlost chemické reakce a výtěžek transesterifikace rostlinných olejů a živočišných tuků na bionaftu. To umožňuje přejít 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 zdroje oleje nízké kvality. Ultrazvuková transesterifikace dokáže přeměnit i nekvalitní surovinu na vysoce kvalitní bionaftu (methylester mastných kyselin / FAME). Výroba bionafty z rostlinných olejů nebo živočišných tuků zahrnuje bazicky katalyzovanou transesterifikaci mastných kyselin methanolem nebo ethanolem za vzniku odpovídajících methylesterů nebo ethylesterů. Ultrazvuku může dosáhnout výtěžku bionafty přesahujícího 99%. Ultrazvuk výrazně zkracuje dobu zpracování a dobu separace.
Klikněte zde a přečtěte si více o ultrazvukem asistované transesterifikaci oleje na bionaftu!

Ultrazvukové odplyňování a odvzdušňování kapalin

Odplyňování kapalin je další důležitou aplikací ultrazvuku typu sondy. Ultrazvukové vibrace a kavitace způsobují koalescenci rozpuštěných plynů v kapalině. Jak se nepatrné bublinky plynu spojují, vytvářejí tím větší bubliny, které rychle plavou na horní povrch kapaliny, odtud mohou být odstraněny. Ultrazvukové odplyňování a odvzdušňování tak může snížit hladinu rozpuštěného plynu pod úroveň přirozené rovnováhy.
Klikněte zde a přečtěte si více o ultrazvukovém odplyňování kapalin!

Ultrazvukové čištění vodičů, kabelů a pásů

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

Co dělá sonikaci vynikající metodou zpracování?

Sonikace nebo použití vysokofrekvenčních zvukových vln k míchání kapalin je účinná metoda zpracování z různých důvodů. Zde je několik důvodů, proč je sonikace při vysoké intenzitě a nízké frekvenci cca. 20 kHz zvláště účinná a výhodná pro zpracování kapalin a kalů:

1. Kavitace: Jedním z hlavních mechanismů sonikace je tvorba a kolaps drobných bublin, což je jev zvaný kavitace. Při frekvenci 20 kHz mají zvukové vlny správnou frekvenci, aby efektivně vytvářely a skládaly bubliny. Kolaps těchto bublin vytváří vysokoenergetické rázové vlny, které mohou rozložit částice a narušit buňky v sonikované kapalině.
2. Kmitání a vibrace: Kromě generované akustické kavitace vytváří oscilace ultrazvukové sondy další míchání a míchání v kapalině, čímž podporuje přenos hmoty a/nebo odplyňování.
3. Pronikání: Zvukové vlny na frekvenci 20 kHz mají relativně dlouhou vlnovou délku, což jim umožňuje proniknout hluboko do kapalin. Ultrazvuková kavitace je lokalizovaný jev, který se objevuje v okolí ultrazvukové sondy. S rostoucí vzdáleností od sondy se intenzita kavitace snižuje. Nicméně, sonikace na 20kHz může účinně léčit větší objemy kapaliny, ve srovnání s vysokofrekvenční sonikací, která má kratší vlnové délky a může být omezenější v hloubce průniku.
4. Nízká spotřeba energie: Sonikace může být provedena s relativně nízkou spotřebou energie ve srovnání s jinými metodami zpracování, jako je vysokotlaká homogenizace nebo mechanické míchání. Díky tomu se jedná o energeticky účinnější a nákladově efektivnější metodu zpracování kapalin.
5. Lineární škálovatelnost: Ultrazvukové procesy lze škálovat zcela lineárně na větší nebo menší objemy. Díky tomu jsou úpravy procesů ve výrobě spolehlivé, protože kvalita výrobků může být trvale stabilní.
6. Dávkový a inline tok: Ultrazvuku lze provádět jako dávkové nebo jako kontinuální inline procesy. Pro sonikaci šarží je ultrazvuková sonda vložena do otevřené nádoby nebo reaktoru s uzavřenou šarží. Pro sonikaci kontinuálního průtokového proudu je instalována ultrazvuková průtoková buňka. Kapalné médium prochází sonotrodou (ultrazvukem vibrující tyč) v jednom průchodu nebo recirkulaci a je vysoce rovnoměrné a účinné vystavené ultrazvukovým vlnám.

Celkově lze říci, že intenzivní síly kavitace, nízká spotřeba energie a škálovatelnost procesu činí z nízkofrekvenční, vysoce výkonné sonikace efektivní metodu zpracování kapalin.

Princip činnosti a použití ultrazvukového zpracování

Ultrazvuku je komerční zpracovatelská technologie, která byla přijata mnoha průmyslovými odvětvími pro výrobu ve velkém měřítku. Díky vysoké spolehlivosti a škálovatelnosti, stejně jako nízkým nákladům na údržbu a vysoké energetické účinnosti jsou ultrazvukové procesory dobrou alternativou pro tradiční zařízení na zpracování kapalin. Ultrazvuk nabízí další vzrušující možnosti: Kavitace – základní ultrazvukový efekt – poskytuje jedinečné výsledky v biologických, chemických a fyzikálních procesech. Například ultrazvuková disperze a emulgace snadno vytváří stabilní nano-velké formulace. Také v oblasti botanické extrakce je ultrazvuk netermální technikou k 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 s vysokou intenzitou se zvukové vlny šíří kapalným médiem. To má za následek střídání vysokotlakých (kompresních) a nízkotlakých (zředění) cyklů, přičemž rychlosti závisí na frekvenci. Během nízkotlakého cyklu vytvářejí ultrazvukové vlny s vysokou intenzitou v kapalině malé vakuové bubliny nebo dutiny. Když bubliny dosáhnou objemu, ve kterém již nemohou absorbovat energii, během vysokotlakého cyklu se prudce zhroutí. Tento jev se nazývá kavitace. Během imploze jsou lokálně dosahovány velmi vysoké teploty (cca 5 000 K) a tlaky (cca 2 000 atm). Imploze kavitační bubliny má také za následek trysky kapaliny o rychlosti až 280 metrů za sekundu.

Ultrazvuková kavitace v kapalinách může způsobit rychlé a úplné odplyňování; iniciovat různé chemické reakce generováním volných chemických iontů (radikálů); urychlit chemické reakce usnadněním míchání reaktantů; zvýšit polymerační a depolymerizační reakce dispergací agregátů nebo trvalým přerušením chemických vazeb v polymerních řetězcích; zvýšit rychlost emulgace; zlepšit rychlost difúze; vyrábět vysoce koncentrované emulze nebo rovnoměrné disperze materiálů o velikosti mikronů nebo nanočástic; napomáhat extrakci látek, jako jsou enzymy, ze zvířecích, rostlinných, kvasinkových nebo bakteriálních buněk; odstranit viry z infikované tkáně; a nakonec 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 dispergaci materiálů v kapalinách. (srov. Ensminger, 1988) Na rozhraních kapalina/pevná látka nebo plyn/pevná látka může asymetrická imploze kavitačních bublin způsobit extrémní turbulence, které snižují mezní vrstvu difúze, zvyšují přenos konvekční hmoty a výrazně urychlují difúzi v systémech, kde není možné běžné míchání. (srov. Nyborg, 1965)

Literatura