Anvendelse af højenergiultralyd med ultralydshorn

Ultralydshorn eller -sonder anvendes i vid udstrækning til mange forskellige former for væskebehandling, herunder homogenisering, dispergering, vådformaling, emulgering, ekstraktion, desintegration, opløsning og afluftning. Lær det grundlæggende om ultralydshorn, ultralydssonder og deres anvendelser.

Ultralydshorn kontra ultralydssonde

Betegnelserne ultralydshorn og ultralydssonde bruges ofte i flæng og henviser til den ultralydsstav, der overfører ultralydsbølgerne til væsken. Andre betegnelser, der bruges om ultralydssonden, er akustisk horn, sonotrode, akustisk bølgeleder eller ultralydsfinger. Teknisk set er der dog forskel på et ultralydshorn og en ultralydssonde.
Både horn og sonde betegner dele af den såkaldte sondebaserede ultralydsbehandler. Ultralydshornet er ultralydstransducerens metaldel, som sættes i svingning af piezoelektrisk genererede vibrationer. Ultralydshornet vibrerer ved en bestemt frekvens, f.eks. 20kHz, hvilket betyder 20.000 vibrationer pr. sekund. Titan er det foretrukne materiale til fremstilling af ultralydshorn på grund af dets fremragende akustiske transmissionsegenskaber, høje udmattelsesstyrke og overfladehårdhed.

Ultralydssonden kaldes også en sonotrode eller ultralydsfinger. Det er en metalstav, oftest fremstillet af titan, som skrues fast på ultralydshornet. Ultralydssonden er en væsentlig del af ultralydsprocessoren og overfører ultralydsbølgerne til det medium, der sonikeres. Ultralydssonder / sonotroder fås i forskellige former (f.eks. koniske, med spids, tilspidsede eller som Cascatrode). Selvom titan er det mest anvendte materiale til ultralydssonder, fås der også sonotroder af rustfrit stål, keramik, glas og andre materialer.

Da ultralydshornet og -sonden konstant udsættes for tryk eller træk under sonikering, er materialevalget til horn og sonde afgørende. Titanlegering af høj kvalitet (grade 5) anses for at være det mest pålidelige, holdbare og effektive metal til at modstå belastning, opretholde høje amplituder over lange tidsrum og overføre de akustiske og mekaniske egenskaber.

Opløsning er en almindelig anvendelse af ultralydsbehandling. Videoen demonstrerer hurtig opløsning af sukkerkrystaller i vand med Hielscher UP200St.

Højtydende ultralydsbehandlere arbejder hovedsageligt i frekvensområdet 20–30kHz. Ved 20 kHz er ultralydssonden typisk en resonansstav med en længde på en halv bølgelængde, som konstant udvider sig og trækker sig sammen 20.000 gange pr. sekund. Udvidelses- og sammentrækningsbevægelserne overføres som højenergiultralyd til procesmediet, dvs. væske eller opslæmning, for at udføre anvendelser såsom

• ultralydsblanding med høje forskydningskræfter
• vådformaling med ultralyd
• dispergering af nanopartikler med ultralyd
• nanoemulgering med ultralyd
• ekstraktion med ultralyd
• desintegration med ultralyd
• celleopbrydning og lyse med ultralyd
• afgasning og afluftning med ultralyd
• sonokemi (sonosyntese, sonokatalyse)

Hvordan virker højenergiultralyd? – Virkemåden for akustisk kavitation

Til højtydende ultralydsanvendelser såsom homogenisering, reduktion af partikelstørrelse, desintegration eller nanodispersioner genereres ultralyd med høj intensitet og lav frekvens af en ultralydstransducer og overføres via ultralydshorn og -sonde (sonotrode) til en væske. Højenergiultralyd anses for at være ultralyd i området 16–30kHz. Ultralydssonden udvider sig og trækker sig sammen ved f.eks. 20kHz og overfører dermed tilsvarende 20.000 vibrationer pr. sekund til mediet. Når ultralydsbølgerne bevæger sig gennem væsken, skaber skiftende højtryks- (kompression) / lavtrykscyklusser (fortynding / ekspansion) meget små hulrum (vakuumbobler), som vokser over flere trykcyklusser. Under væskens og boblernes kompressionsfase er trykket positivt, mens fortyndingsfasen frembringer et vakuum (negativt tryk). Under kompressions- og ekspansionscyklusserne vokser hulrummene i væsken, indtil de når en størrelse, hvor de ikke kan absorbere mere energi. På dette tidspunkt imploderer de voldsomt. Implosionen af disse hulrum medfører forskellige meget energirige effekter, som er kendt som fænomenet akustisk kavitation / ultralydskavitation. Akustisk kavitation er kendetegnet ved mange forskellige meget energirige effekter, som påvirker væsker, faststof/væske-systemer samt gas/væske-systemer. Den energitætte zone eller kavitationszone betegnes som en såkaldt hot-spot-zone, hvor energitætheden er størst i umiddelbar nærhed af ultralydssonden og aftager med stigende afstand fra sonotroden. De vigtigste kendetegn ved ultralydskavitation omfatter lokalt forekommende meget høje temperaturer og tryk samt de tilhørende temperatur- og trykforskelle, turbulens og væskestrømning. Under implosionen af ultralydshulrum i ultralydens hot-spots kan der måles temperaturer på op til 5000 kelvin, tryk på op til 200 atmosfærer og væskestråler med hastigheder på op til 1000km/h. Disse enestående, energiintense forhold bidrager til sonomekaniske og sonokemiske effekter, som intensiverer processer og kemiske reaktioner på forskellige måder.
De vigtigste virkninger af ultralydsbehandling på væsker og opslæmninger er følgende:

• Høje forskydningskræfter: De høje forskydningskræfter fra ultralyd bryder væsker og væske/faststof-systemer op og medfører intens omrøring, homogenisering og masseoverførsel.
• Sammenstød: Væskestråler og strømning frembragt af ultralydskavitation accelererer faste stoffer i væsker, hvilket efterfølgende fører til sammenstød mellem partikler. Når partikler støder sammen ved meget høje hastigheder, eroderes de, knuses og bliver fint formalet og dispergeret, ofte helt ned til nanostørrelse. For biologisk materiale såsom plantematerialer bryder væskestrålerne med høj hastighed og de skiftende trykcyklusser cellevæggene op og frigiver det intracellulære materiale. Dette resulterer i meget effektiv ekstraktion af bioaktive forbindelser og homogen blanding af biologisk materiale.
• Omrøring: Ultralydsbehandling medfører intens turbulens, forskydningskræfter og mikrobevægelser i væsken eller opslæmningen. Sonikering intensiverer dermed altid masseoverførslen og fremskynder derved reaktioner og processer.

Ultralydshomogenisatorer og blandere med høje forskydningskræfter anvendes i næsten enhver procesindustri, der arbejder med væsker eller opslæmninger. De intense kavitationskræfter fra ultralyd skaber intens omrøring, forskydning, partikelbrud og masseoverførsel. Derved homogeniseres, dispergeres, emulgeres, ekstraheres og opløses væsker, og/eller kemiske reaktioner igangsættes. Samlet set er ultralydsbehandling en procesintensiverende metode, der øger udbyttet, forbedrer omdannelsesgraderne og gør processerne mere effektive.
Almindelige industrielle ultralydsanvendelser er udbredt i mange grene af fødevare- og lægemiddelindustrien, finkemi, energi og petrokemi, genanvendelse, bioraffinaderier osv. og omfatter følgende:

• biodieselsyntese med ultralyd
• homogenisering af frugtsaft med ultralyd
• produktion af vacciner med ultralyd
• genanvendelse af Li-ion-batterier med ultralyd
• syntese af nanomaterialer med ultralyd
• formulering af lægemidler med ultralyd
• nanoemulgering af CBD med ultralyd
• ekstraktion af plantematerialer med ultralyd
• prøveforberedelse med ultralyd i laboratorier
• afgasning af væsker med ultralyd
• afsvovling af råolie med ultralyd
• og mange flere …

Ultralydshorn og -sonder til højtydende anvendelser

Hielscher Ultrasonics er en producent og distributør med mange års erfaring inden for højenergiultralydsbehandlere, som anvendes verden over til krævende anvendelser i mange industrier.
Med ultralydsprocessorer i alle størrelser fra 50 watt til 16kW pr. enhed, sonder i forskellige størrelser og former samt ultralydsreaktorer med forskellige volumener og geometrier har Hielscher Ultrasonics det rette udstyr til at konfigurere den ideelle ultralydsopstilling til din anvendelse.
Tabellen nedenfor giver dig et indtryk af vores ultralydsbehandleres omtrentlige behandlingskapacitet: