Anvendelse af Power Ultralyd ved hjælp af ultralydshorn

Ultralydhorn eller -sonder anvendes i vid udstrækning til mangfoldige flydende behandlingsapplikationer, herunder homogenisering, dispergering, vådfræsning, emulgering, ekstraktion, opløsning, opløsning og de-beeration. Lær det grundlæggende om ultralydshorn, ultralydssonder og deres applikationer.

Ultralydhorn vs Ultralydsonde

Ofte anvendes udtrykket ultralydshorn og sonde i flæng og henviser til ultralydsstangen, der overfører ultralydbølgerne ind i væsken. Andre udtryk, der bruges til ultralydsonden, er akustisk horn, sonotrode, akustisk waveguide eller ultralydsfinger. Teknisk set er der dog en forskel mellem et ultralydshorn og en ultralydssonde.
Både horn og sonde, henviser til dele af den såkaldte sonde-type ultralydsmaskine. Ultralydshornet er metaldelen af ultralydstransduceren, som bliver ophidset gennem piezoelektrisk genererede vibrationer. Ultralydshornet vibrerer med en bestemt frekvens, fx 20kHz, hvilket betyder 20.000 vibrationer i sekundet. Titanium er det foretrukne materiale til fremstilling af ultralydshorn på grund af dets fremragende akustiske transmissionsegenskaber, dets robuste udmattelsesstyrke og overflade hårdhed.

Ultralydsonden kaldes også sonotrode eller ultralydsfinger. Det er en metalstang, oftest lavet af titanium, og gevind til ultralydshornet. Ultralydsonden er en væsentlig del af ultralydsprocessoren, der overfører ultralydbølgerne til det sonikerede medium. Ultralydssonder / sonotroder er i forskellige former (f.eks. koniske, tippede, koniske eller som Cascatrode) til rådighed. Mens titanium er det mest almindeligt anvendte materiale til ultralydssonder, er der også sonotrode fremstillet af rustfrit stål, keramik, glas og andre materialer til rådighed.

Da ultralydhornet og sonden er under konstant kompression eller spænding under sonikering, er materialevalget af horn og sonde afgørende. Høj kvalitet titanium legering (grade 5) betragtes som den mest pålidelige, holdbare og effektive metal til at modstå stress, til at opretholde høje amplituder over lange perioder, og til at overføre de akustiske og mekaniske egenskaber.

Højtydende ultralydsenheder arbejder for det meste i frekvensområdet 20-30 kHz. Ved 20 kHz er ultralydssonden typisk en halv bølgelængde lang resonansstang, som konstant udvider og kommer på kontrakt 20.000 gange i sekundet. Ekspansions- og sammentrækningsbevægelserne overføres som højeffektultralyd i procesmediet, dvs.

• ultralyd høj-forskydning blanding
• ultralyd vådformaling
• ultralydsspredning af nanopartikler
• Ultralyd Nano-emulgering
• ultralydsekstraktion
• Ultralydsintegration
• ultralydcelleforstyrrelser og lysis
• ultralydafgasning og afgasning
• sono-kemi (sono-syntese, sono-katalyse)

Hvordan power ultralyd arbejde? – Arbejdsprincippet om akustisk kavitation

For højtydende ultralydapplikation såsom homogenisering, partikelstørrelsesreduktion, opløsning eller nanospredninger genereres højintensitets ultralyd med lavfrekvens ultralyd af en ultralydstransducer og overføres via ultralydshorn og sonde (sonotrode) til en væske. High-power ultralyd betragtes ultralyd i intervallet 16-30kHz. Ultralydsonden udvider sig og trækker sig sammen ved 20kHz og sender dermed henholdsvis 20.000 vibrationer i sekundet ind i mediet. Når ultralydbølgerne bevæger sig gennem væsken, skaber vekslende højtrykscyklusser /kompression) /rarefaction /expansion) små hulrum (vakuumbobler), som vokser over flere trykcyklusser. Under kompressionsfasen af væsken og boblerne er trykket positivt, mens rarefaction-fasen giver et vakuum (undertryk).) Under kompressions-ekspansion cykler, hulrum i væsken vokse, indtil de når en størrelse, hvor de ikke kan absorbere yderligere energi. På dette tidspunkt imploderer de voldsomt. Implosionen af disse hulrum resulterer i forskellige meget energiske effekter, som er kendt som fænomenet akustisk / ultralydkavitation. Akustisk kavitation er kendetegnet ved mangfoldige meget energiske effekter, som påvirker væsker, faste / flydende systemer samt gas / flydende systemer. Den energi-tætte zone eller kavitationsområde er kendt som såkaldt hot-spot zone, som er mest energi-tætte i nærheden af ultralyd sonden og falder med stigende afstand fra sonotrode. De vigtigste egenskaber ved ultralydkavitation omfatter lokalt forekommende meget høje temperaturer og tryk og respektive forskelle, turbulenser og flydende streaming. Under implosion af ultralyd hulrum i ultralyd hot-spots, temperaturer på op til 5000 Kelvin, tryk på op til 200 atmosfærer og flydende jetfly med op til 1000 km / t kan måles. Disse fremragende energi-intense forhold bidrager til sonomekanske og sonokemiske virkninger, der intensiverer processer og kemiske reaktioner på forskellige måder.
Den vigtigste virkning af ultralydbehandling på væsker og opslæmninger er følgende:

• Høj forskydning: Ultralyd høj-forskydning kræfter forstyrre væsker og væskefast systemer forårsager intens agitation, homogenisering og masseoverførsel.
• Indvirkning: Flydende dyser og streaming genereret af ultralydkavitation accelererer faste stoffer i væsker, hvilket efterfølgende fører til interparticluar kollision. Når partikler kolliderer ved meget høje hastigheder, de eroderer, splintres og få sleben og spredt fint, ofte ned til nano-størrelse. For biologiske stoffer såsom plantematerialer forstyrrer væskestrålerne med høj hastighed og vekslende trykcyklusser cellevæggene og frigiver det intracellulære materiale. Dette resulterer i højeffektiv ekstraktion af bioaktive forbindelser og homogen blanding af biologisk materiale.
• Agitation: Ultralydbehandling forårsager intense turbulenser, forskydningskræfter og mikrobevægelse i væsken eller gyllen. Derved intensiverer sonikering altid masseoverførsel og accelererer derved reaktioner og processer.

Ultralyd homogenisatorer og høj-forskydning blandere anvendes i næsten enhver forarbejdning industri, der arbejder med væsker eller opslædninger. De intense ultralydkavitationskræfter skaber intens agitation, forskydning, partikelbrud og masseoverførsel. Derved homogeniseres, spredes, emulgeres, ekstraheres, opløses og/eller kemiske reaktioner påbegyndes. Samlet set er ultralydbehandling en procesforøgende metode, der øger udbyttet, forbedrer konverteringsfrekvenserne og gør processerne mere effektive.
Almindelige ultralydsapplikationer i branchen er spredt over mange grene af fødevarer & pharma, finkemi, energi & petrokemi, genanvendelse, bioraffinaderi osv., og omfatter følgende:

• ultralyd biodiesel syntese
• ultralydshomogenisering af frugtsaft
• ultralydsproduktion af vacciner
• ultralyd Li-ion batteri genanvendelse
• ultralydsyntese af nanomaterialer
• Ultralyd formulering af lægemidler
• ultralydnano-emulgering af CBD
• ultralydsekstraktion af planteekstrakter
• ultralydsprøvepræparat i laboratorier
• ultralydafgasning af væsker
• ultralydafsvovling af rå
• og mange flere ...

Ultralyd horn og sonder til højtydende applikationer

Hielscher Ultrasonics er mangeårige erfaringsproducent og distributør af højtydende ultralydsenheder, som er verdensomspændende brugt til tunge applikationer i mange brancher.
Med ultralydsprocessorer i alle størrelser fra 50 watt til 16kW pr. enhed, sonder i forskellige størrelser og former, ultralydsreaktorer med forskellige volumener og geometrier har Hielscher Ultrasonics det rigtige udstyr til at konfigurere den ideelle ultralydsopsætning til din applikation.
Tabellen nedenfor giver dig en indikation af den omtrentlige forarbejdningskapacitet hos vores ultralydapparater: