Ultrazvukové vlny ultrazvuku s vysokou intenzitou vytvářejí akustickou kavitaci v kapalinách. Kavitace způsobuje extrémní účinky lokálně, jako jsou kapalné trysky až 1000 km / h, tlaky až 2000 atm a teploty až 5000 Kelvinů. Tyto ultrazvukem generované síly se používají pro řadu aplikací zpracování kapalin, jako je homogenizace, disperze, emulgace, extrakce, narušení buněk, stejně jako zesílení chemických reakcí.

Pracovní princip ultrazvukové kavitace

Při působení zvukové energie kapaliny na vysoké intenzity, zvukové vlny, které šíří do kapalných médií za následek střídavé vysokotlaké (kompresního) a nízkotlaké (zředění) cyklů, přičemž sazby v závislosti na frekvenci. V nízkotlaké cyklu, high-intenzity ultrazvukových vln vytvoří malé vakuové bubliny nebo dutiny v kapalině. Když se bubliny dosáhnout objemu, na který se již nemůže absorbovat energii, se náhle zhroutí během vysokotlaké cyklu. Tento jev se nazývá kavitace. Během zhroucení velmi vysoké teploty (cca. 5,000K) a tlaku (cca. 2,000atm) je dosaženo lokálně. Imploze kavitace bubliny také za následek proudů kapaliny až do 280 m / s rychlost.

Akustická kavitace (generovaná výkonovým ultrazvukem) vytváří lokálně extrémní podmínky, tzv. Sonomechanické a sonochemické účinky. Vzhledem k těmto účinkům, sonikace podporuje chemické reakce vedoucí k vyšším výnosům, vyšší rychlost reakce, nové cesty, a lepší celkovou účinnost.

Klíčové aplikace ultrasonicators pomocí akustické kavitace

Ultrazvukové sondy, známé také jako ultrazvukové sondy, účinně generují intenzivní akustickou kavitaci v kapalinách. Proto jsou široce používány v různých aplikacích v různých průmyslových odvětvích. Některé z nejdůležitějších aplikací akustické kavitace generované sondy-typ ultrasonicators patří:
 

1. Homogenizace: Ultrazvukové sondy mohou generovat intenzivní kavitaci, která je charakterizována jako energeticky husté pole vibrací a smykových sil. Tyto síly zajišťují vynikající míchání, míchání a redukci velikosti částic. Ultrazvuková homogenizace produkuje rovnoměrně smíšené suspenze. Proto se sonikace používá k výrobě homogenní koloidní suspenze s úzkými distribučními křivkami.
2. Disperze nanočástic: Ultrasonicators se používají pro disperzi, deaglomeraci a mokré mletí nanočástic. Nízkofrekvenční ultrazvukové vlny mohou generovat působivou kavitaci, která rozkládá aglomeráty a snižuje velikost částic. Zejména vysoký střih kapalných trysek urychluje částice v kapalině, které se navzájem srážejí (srážky s částicemi), takže částice se následně lámou a erodují. Výsledkem je rovnoměrné a stabilní rozložení částic zabraňující usazování. To je zásadní v různých oblastech, včetně nanotechnologií, vědy o materiálech a léčiv.
3. Emulgace a míchání: Sonda typu ultrasonicators se používají k vytváření emulzí a míchání kapalin. Ultrazvuková energie způsobuje kavitaci, tvorbu a zhroucení mikroskopických bublin, které vytvářejí intenzivní lokální smykové síly. Tento proces pomáhá při emulgaci nemísitelných kapalin, čímž vzniká stabilní a jemně rozptýlené emulze.
4. Extrakce: Vzhledem k kavitační smykové síly, ultrasonicators jsou vysoce účinné při narušování buněčných struktur a zlepšit přenos hmoty mezi pevnou a kapalnou. Proto je ultrazvuková extrakce široce používána k uvolnění intracelulárního materiálu, jako jsou bioaktivní sloučeniny pro výrobu vysoce kvalitních botanických extraktů.
5. Odplyňování a odvzdušnění: Sonda typu ultrasonicators se používají k odstranění plynových bublin nebo rozpuštěných plynů z kapalin. Aplikace ultrazvukové kavitace podporuje koalescenci plynových bublin tak, aby rostly a plavaly na vrchol kapaliny. Ultrazvuková kavitace činí odplynění rychlým a účinným postupem. To je cenné v různých průmyslových odvětvích, jako jsou barvy, hydraulické kapaliny nebo zpracování potravin a nápojů, kde přítomnost plynů může negativně ovlivnit kvalitu a stabilitu produktu.
6. Sonokatalýza: Ultrazvukové sondy mohou být použity pro sonokatalýzu, proces, který kombinuje akustickou kavitaci s katalyzátory pro zlepšení chemických reakcí. Kavitace generovaná ultrazvukovými vlnami zlepšuje přenos hmoty, zvyšuje reakční rychlosti a podporuje produkci volných radikálů, což vede k účinnějším a selektivním chemickým transformacím.
7. Příprava vzorku: Sonda typu ultrasonicators jsou běžně používány v laboratořích pro přípravu vzorků. Používají se k homogenizaci, rozčlenění a extrakci biologických vzorků, jako jsou buňky, tkáně a viry. Ultrazvuková energie generovaná sondou narušuje buněčné membrány, uvolňuje buněčný obsah a usnadňuje další analýzu.
8. Rozpad a narušení buněk: Sonda typu ultrasonicators se používají k rozpadu a narušení buněk a tkání pro různé účely, jako je extrakce intracelulárních složek, mikrobiální inaktivace, nebo příprava vzorku pro analýzu. Ultrazvukové vlny s vysokou intenzitou a tím generovaná kavitace způsobují mechanické namáhání a smykové síly, což vede k rozpadu buněčných struktur. V biologickém výzkumu a lékařské diagnostice se používají ultrazvukové přístroje typu sondy pro lýzu buněk, proces rozbíjení otevřených buněk k uvolnění jejich intracelulárních složek. Ultrazvuková energie narušuje buněčné stěny, membrány a organely, což umožňuje extrakci proteinů, DNA, RNA a dalších buněčných složek.

 
Jedná se o některé z klíčových aplikací ultrazvukových zařízení typu sondy, ale technologie má ještě širší škálu dalších použití, včetně sonochemie, snížení velikosti částic (mokré frézování), syntézy částic zdola nahoru a sono-syntézy chemických látek a materiálů v různých průmyslových odvětvích, jako jsou léčiva, zpracování potravin, biotechnologie a vědy o životním prostředí.

Vysokorychlostní sekvence (od a do f) snímků ilustrujících sonomechanickou exfoliaci grafitové vločky ve vodě pomocí UP200S, 200W ultrasonicator s 3-mm sonotrodou. Šipky ukazují místo štěpení částic s kavitačními bublinami pronikajícími do rozdělení.
© Tyurnina et al. 2020

Video akustické kavitace v kapalině

Následující video demonstruje akustickou kavitaci na kascadrone ultrasonicator UIP1000hdT ve skleněné koloně naplněné vodou. Skleněný sloup je osvětlen zdola červeným světlem, aby se zlepšila vizualizace kavitačních bublin.

Níže uvedená tabulka vám dává informaci o přibližné zpracovatelské kapacity našich ultrasonicators: