Ultrazvukové zpracování kapalin, kašovitých suspenzí a chemických reakcí

Ultrasonikace je mechanická metoda zpracování, která vytváří akustickou kavitaci a vysoce intenzivní fyzikální síly. Proto se ultrazvuk používá pro řadu aplikací, jako je míchání, homogenizace, mletí, dispergace, emulgace, extrakce, odplyňování a sonochemické reakce.

Najděte svou aplikaci v tabulce níže, klikněte na odkaz a přejděte přímo k procesu, který vás zajímá! Zjistěte, jak sonikace zlepšuje proces a jeho účinnost.

Ultrazvuková homogenizace

Ultrazvukové homogenizátory zmenšují malé částice v kapalině za účelem zlepšení homogenity a stability disperze. Částice (dispergovaná fáze) mohou být pevné látky nebo kapičky kapaliny suspendované v kapalné fázi. Ultrazvuková homogenizace je velmi účinná pro zmenšování měkkých i tvrdých částic. Hielscher vyrábí sonikátory pro homogenizaci jakéhokoli objemu kapaliny a pro vsádkové nebo inline zpracování. Laboratorní ultrazvuková zařízení lze použít pro objemy od 1,5mL do cca 4L. Průmyslová ultrazvuková zařízení dokážou zpracovat vsádky od 0,5 do cca 2000L nebo průtoky od 0,1L do 20 metrů krychlových za hodinu při vývoji procesů i v komerční výrobě.
Objevte sílu ultrazvukové homogenizace!

Ultrazvuková dispergace a deaglomerace

Dispergace a deaglomerace pevných látek v kapalinách je důležitou aplikací sonikátorů se sonotrodou. Ultrazvuková / akustická kavitace generuje vysoké smykové síly, které rozbíjejí aglomeráty částic na jednotlivé, samostatně dispergované částice. Vmíchávání prášků do kapalin je běžným krokem při formulaci různých produktů, jako jsou barvy, laky, kosmetické přípravky, potraviny a nápoje nebo leštící média. Jednotlivé částice drží pohromadě přitažlivé síly různé fyzikální a chemické povahy, včetně van der Waalsových sil a povrchového napětí kapaliny. Ultrasonikace tyto přitažlivé síly překonává, aby částice v kapalném prostředí deaglomerovala a dispergovala. Pro dispergaci a deaglomeraci prášků v kapalinách je vysoce intenzivní ultrasonikace zajímavou alternativou k vysokotlakým homogenizátorům, vysokosmykovým míchadlům, kuličkovým mlýnům nebo míchadlům typu rotor-stator.
Získejte podrobné informace o ultrazvukové dispergaci a deaglomeraci!

Ultrazvuková emulgace

Široká škála meziproduktů a spotřebních výrobků, jako jsou kosmetika a pleťová mléka, farmaceutické masti, laky, barvy, maziva a paliva, je zcela nebo zčásti založena na emulzích. Emulze jsou disperze dvou nebo více vzájemně nemísitelných kapalných fází. Vysoce intenzivní ultrazvuk poskytuje dostatečně intenzivní smyk k dispergaci jedné kapalné fáze (dispergované fáze) ve formě malých kapiček ve druhé fázi (spojité fázi). V dispergační zóně způsobují implodující kavitační bubliny intenzivní rázové vlny v okolní kapalině a vedou k tvorbě kapalinových proudů s vysokou rychlostí kapaliny (vysoký smyk). Ultrasonikaci lze přesně přizpůsobit cílové velikosti emulze, což umožňuje spolehlivou výrobu mikroemulzí a nanoemulzí.
Klikněte zde a přečtěte si více o ultrazvukové emulgaci!

Ultrazvukové mokré mletí a rozmělňování

Ultrasonikace je účinným prostředkem pro mokré mletí a mikromletí částic. Zejména při výrobě suspenzí s extrémně jemnými částicemi má ultrazvuk mnoho výhod. Předčí tradiční zařízení pro zmenšování velikosti částic, jako jsou: koloidní mlýny (např. kulové mlýny, kuličkové mlýny), diskové mlýny nebo tryskové mlýny. Ultrasonikace dokáže zpracovat suspenze s vysokou koncentrací a vysokou viskozitou – a tím snížit objem, který je třeba zpracovat. Ultrazvukové mletí je samozřejmě vhodné pro zpracování materiálů mikronové a nanometrické velikosti, jako jsou keramika, pigmenty, síran barnatý, uhličitan vápenatý nebo oxidy kovů. Zejména pokud jde o nanomateriály, vyniká ultrasonikace svým výkonem, protože její vysoce účinné smykové síly vytvářejí rovnoměrně malé nanočástice.
Přečtěte si více o ultrazvukovém mokrém mletí a mikromletí!

Sprejově sušený TiO2 před ultrazvukovým mletím a po něm

Ultrazvuková dezintegrace buněk a lyze

Ultrazvukové ošetření dokáže rozložit vláknitý celulózový materiál na jemné částice a narušit stěny buněčné struktury. Tím se do kapaliny uvolní více intracelulárního materiálu, jako je škrob nebo cukr. Tento efekt lze využít pro fermentaci, digesci a další konverzní procesy organické hmoty. Po mletí a drcení zpřístupní ultrasonikace enzymům, které přeměňují škrob na cukry, více intracelulárního materiálu, např. škrobu, i zbytků buněčných stěn. Zvětšuje také plochu povrchu vystavenou enzymům během zkapalňování nebo sacharifikace. To obvykle zvyšuje rychlost a výtěžek kvasinkové fermentace a dalších konverzních procesů, např. pro zvýšení produkce ethanolu z biomasy.
Přečtěte si více o ultrazvukové dezintegraci buněčných struktur!

Ultrazvuková extrakce rostlinných látek

Extrakce bioaktivních látek uložených v buňkách a subcelulárních částicích je široce využívanou aplikací vysoce intenzivního ultrazvuku. Ultrazvuková extrakce se používá k izolaci sekundárních metabolitů (např. polyfenolů), polysacharidů, proteinů, esenciálních olejů a dalších účinných látek z buněčné matrice rostlin a hub. Sonikace, vhodná pro vodní i rozpouštědlovou extrakci organických sloučenin, výrazně zvyšuje výtěžek rostlinných látek obsažených v rostlinách nebo semenech. Ultrazvuková extrakce se používá při výrobě léčiv, nutraceutik / doplňků stravy, vonných látek a biologických přísad. Ultrazvuk je zelená extrakční technika, která se používá také k extrakci bioaktivních složek v biorafineriích, např. k uvolnění cenných látek z nevyužitých vedlejších proudů vznikajících v průmyslových procesech. Ultrasonikace je vysoce účinná technologie pro extrakci rostlinných látek v laboratorním i výrobním měřítku.
Prozkoumejte výhody ultrazvukové extrakce!

Sonochemické využití ultrazvuku

Sonochemie je aplikace ultrazvuku na chemické reakce a procesy. Mechanismem, který způsobuje sonochemické účinky v kapalinách, je jev akustické kavitace. Mezi sonochemické účinky na chemické reakce a procesy patří zvýšení reakční rychlosti nebo výstupu, efektivnější využití energie, zlepšení výkonu katalyzátorů fázového přenosu, aktivace kovů a pevných látek nebo zvýšení reaktivity činidel či katalyzátorů.
Prozkoumejte sonochemické účinky ultrazvuku!

Ultrazvuková transesterifikace (odpadního) oleje na bionaftu

Ultrasonikace zvyšuje rychlost chemické reakce a výtěžek transesterifikace rostlinných olejů a živočišných tuků na bionaftu. To umožňuje převést výrobu ze vsádkového zpracování na kontinuální průtokové zpracování a snižuje investiční i provozní náklady. Jednou z hlavních výhod ultrazvukové výroby bionafty je využití 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. Ultrasonikace může dosáhnout výtěžku bionafty přesahujícího 99%. Ultrazvuk výrazně zkracuje dobu zpracování i dobu separace.
Klikněte zde a přečtěte si více o ultrazvukem podporované transesterifikaci oleje na bionaftu!

Ultrazvukové odplyňování, odvzdušňování a odpěňování kapalin

Odplyňování kapalin je další důležitou aplikací sonikátorů se sonotrodou. Ultrazvukové vibrace a kavitace způsobují koalescenci rozpuštěných plynů v kapalině. Když drobné plynové bubliny koalescují, vytvářejí větší bubliny, které rychle vystoupají k hladině kapaliny, odkud je lze odstranit. Ultrazvukové odplyňování a odvzdušňování tak může snížit obsah rozpuštěného plynu pod přirozenou rovnovážnou úroveň.
Klikněte zde a přečtěte si více o ultrazvukovém odplyňování kapalin!

Ultrazvukové čištění drátů, 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 maziv, jako je olej nebo plastické mazivo, mýdla, stearáty nebo prach. Hielscher Ultrasonics nabízí různé ultrazvukové systémy pro inline čištění kontinuálních profilů.
Klikněte zde pro více informací o ultrazvukovém čištění kontinuálních profilů!

Co dělá ze sonikace lepší metodu zpracování?

Sonikace, neboli využití vysokofrekvenčních zvukových vln k agitaci kapalin, je účinnou metodou zpracování z řady důvodů. Zde je několik důvodů, proč je sonikace o vysoké intenzitě a nízké frekvenci cca 20kHz obzvláště účinná a výhodná pro zpracování kapalin a kašovitých suspenzí:

1. Kavitace: Jedním z hlavních mechanismů sonikace je vznik a kolaps drobných bublin, jev nazývaný kavitace. Při 20kHz mají zvukové vlny právě správnou frekvenci k účinnému vytváření a kolapsu bublin. Kolaps těchto bublin vytváří vysokoenergetické rázové vlny, které mohou rozbíjet částice a narušovat buňky v sonikované kapalině.
2. Oscilace a vibrace: Kromě generované akustické kavitace vytváří oscilace sonotrody dodatečnou agitaci a promíchávání kapaliny, čímž podporuje přenos hmoty a/nebo odplyňování.
3. Penetrace: Zvukové vlny o frekvenci 20kHz mají relativně dlouhou vlnovou délku, což jim umožňuje pronikat hluboko do kapalin. Ultrazvuková kavitace je lokalizovaný jev, který se vyskytuje v okolí sonotrody. S rostoucí vzdáleností od sonotrody intenzita kavitace klesá. Sonikace při 20kHz však dokáže účinně zpracovat větší objemy kapaliny ve srovnání se sonikací o vyšší frekvenci, která má kratší vlnové délky a může mít omezenější hloubku průniku.
4. Nízká spotřeba energie: Sonikaci lze provádět s relativně nízkou spotřebou energie ve srovnání s jinými metodami zpracování, jako je vysokotlaká homogenizace nebo mechanické míchání. Díky tomu je energeticky účinnější a nákladově efektivnější metodou zpracování kapalin.
5. Lineární škálovatelnost: Ultrazvukové procesy lze zcela lineárně škálovat na větší nebo menší objemy. Díky tomu jsou úpravy procesů ve výrobě spolehlivé, protože kvalitu produktu lze trvale udržovat stabilní.
6. Vsádkový a inline průtokový provoz: Ultrasonikaci lze provádět jako vsádkový nebo kontinuální inline proces. Při sonikaci vsádek se sonotroda vkládá do otevřené nádoby nebo uzavřeného vsádkového reaktoru. Pro sonikaci kontinuálního proudu se instaluje ultrazvuková průtoková cela. Kapalné médium prochází kolem sonotrody (ultrazvukem vibrující tyče) jednorázově nebo v recirkulaci a je vysoce rovnoměrně a účinně vystaveno ultrazvukovým vlnám.

Celkově díky intenzivním kavitačním silám, nízké spotřebě energie a škálovatelnosti procesu představuje nízkofrekvenční vysokovýkonová sonikace účinnou metodu zpracování kapalin.

Princip fungování a využití ultrazvukového zpracování

Ultrasonikace je komerční technologie zpracování, kterou pro velkovýrobu přijala řada průmyslových odvětví. Vysoká spolehlivost a škálovatelnost, stejně jako nízké náklady na údržbu a vysoká energetická účinnost, činí z ultrazvukových procesorů dobrou alternativu k tradičním zařízením pro zpracování kapalin. Ultrazvuk nabízí další zajímavé možnosti: kavitace – základní ultrazvukový efekt – přináší jedinečné výsledky v biologických, chemických a fyzikálních procesech. Například ultrazvuková dispergace a emulgace snadno vytváří stabilní formulace nanometrické velikosti. Také v oblasti extrakce rostlinných látek je ultrazvuk netermickou technikou k izolaci bioaktivních látek.

Ultrazvukové míchání je založeno na akustické kavitaci a jejích hydrodynamických smykových silách.

Zatímco ultrazvuk o nízké intenzitě nebo vysoké frekvenci se používá hlavně pro analýzu, nedestruktivní testování a zobrazování, vysoce intenzivní ultrazvuk se používá ke zpracování kapalin a past, kde se intenzivní ultrazvukové vlny využívají k míchání, emulgaci, dispergaci a deaglomeraci, dezintegraci buněk nebo deaktivaci enzymů. Při sonikaci kapalin o vysoké intenzitě se zvukové vlny šíří kapalným prostředím. To vede ke střídání cyklů vysokého tlaku (komprese) a nízkého tlaku (zředění), jejichž rychlost závisí na frekvenci. Během cyklu nízkého tlaku vytvářejí vysoce intenzivní ultrazvukové vlny v kapalině malé vakuové bubliny nebo dutiny. Když bubliny dosáhnou objemu, při kterém již nemohou absorbovat energii, během cyklu vysokého tlaku prudce zkolabují. Tento jev se nazývá kavitace. Během imploze se lokálně dosahuje velmi vysokých teplot (cca 5 000K) a tlaků (cca 2 000atm). Implozí kavitační bubliny také vznikají kapalinové proudy o rychlosti 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 mísení reaktantů; podpořit polymerační a depolymerační reakce dispergací agregátů nebo trvalým štěpením chemických vazeb v polymerních řetězcích; zvýšit rychlost emulgace; zlepšit rychlost difuze; vytvářet vysoce koncentrované emulze nebo rovnoměrné disperze materiálů mikronové nebo nanometrické velikosti; napomáhat extrakci látek, jako jsou enzymy, z živočišných, rostlinných, kvasinkových nebo bakteriálních buněk; odstraňovat viry z infikované tkáně; a konečně erodovat a rozkládat citlivé částice včetně mikroorganismů. (srov. Kuldiloke 2002)

Vysoce intenzivní ultrazvuk vyvolává v kapalinách s nízkou viskozitou prudkou agitaci, kterou lze využít 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 zmenšují difuzní mezní vrstvu, zvyšují konvekční přenos hmoty a výrazně urychlují difuzi v systémech, kde běžné míchání není možné. (srov. Nyborg, 1965)

Literatura

• Seyed Mohammad Mohsen Modarres-Gheisari, Roghayeh Gavagsaz-Ghoachani, Massoud Malaki, Pedram Safarpour, Majid Zandi (2019): Ultrasonic nano-emulsification – A review. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 52, 2019. 88-105.
• Suslick, Kenneth S.; Hyeon, Taeghwan; Fang, Mingming; Cichowlas, Andrzej A. (1995): Sonochemical synthesis of nanostructured catalysts. Materials Science and Engineering: A. Proceedings of the Symposium on Engineering of Nanostructured Materials. ScienceDirect 204 (1–2): 186–192.
• Brad W. Zeiger; Kenneth S. Suslick (2011): Sonofragmentation of Molecular Crystals. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 37, 14530–14533.
• Petigny L., Périno-Issartier S., Wajsman J., Chemat F. (2013): Batch and Continuous Ultrasound Assisted Extraction of Boldo Leaves (Peumus boldus Mol.). International Journal of Molecular Science 14, 2013. 5750-5764.
• Ensminger, D. E. (1988): Acoustic and electroacoustic methods of dewatering and drying, in: Drying Tech. 6, 473 (1988).
• Kuldiloke, J. (2002): Effect of Ultrasound, Temperature and Pressure Treatments on Enzyme Activity an Quality Indicators of Fruit and Vegetable Juices; Ph.D. Thesis at Technische Universität Berlin (2002).
• Nyborg, W.L. (1965): Acoustic Streaming, Vol. 2B, Academic Press, New York (1965).