Anvendelse af Power Ultrasound ved hjælp af ultralydshorn

Ultralydshorn eller sonder bruges i vid udstrækning til manifold væskebehandlingsapplikationer, herunder homogenisering, dispergering, vådfræsning, emulgering, ekstraktion, opløsning, opløsning og afluftning. Lær det grundlæggende om ultralydshorn, ultralydssonder og deres anvendelser.

Ultralydshorn vs ultralydssonde

Ofte bruges udtrykket ultralydshorn og sonde i flæng og refererer til ultralydsstangen, der transmitterer ultralydsbølgerne ind i væsken. Andre udtryk, der bruges til 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 refererer til dele af den såkaldte sonde-type ultralydsapparat. Ultralydshornet er metaldelen af ultralydstransduceren, som bliver ophidset gennem piezoelektrisk genererede vibrationer. Ultralydshornet vibrerer ved en bestemt frekvens, f.eks. 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 træthedsstyrke og overfladehårdhed.

Ultralydssonden kaldes også sonotrode eller ultralydsfinger. Det er en metalstang, oftest lavet af titanium, og gevind til ultralydshornet. Ultralydssonden er en væsentlig del af ultralydsprocessoren, der transmitterer ultralydsbølgerne ind i det sonikerede medium. Ultralydssonder / sonotroder er i forskellige former (f.eks. Konisk, spidset, tilspidset eller som Cascatrode) tilgængelige. Mens titanium er det mest almindeligt anvendte materiale til ultralydssonder, er der også sonotrode lavet af rustfrit stål, keramik, glas og andre materialer tilgængelige.

Da ultralydshornet og sonden er under konstant kompression eller spænding under sonikering, er materialevalget af horn og sonde afgørende. Titanlegering af høj kvalitet (klasse 5) betragtes som det 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 ultralydapparater arbejder for det meste i frekvensområdet 20-30kHz. Ved 20 kHz er ultralydssonden typisk en halv bølgelængde lang resonansstang, som konstant udvider sig og trækker sig sammen 20.000 gange i sekundet. Ekspansions- og sammentrækningsbevægelserne overføres som ultralyd med høj effekt til procesmediet, dvs. væske eller slurry, for at opfylde anvendelser som f.eks.

• Ultralydsblanding med høj forskydning
• ultralyd vådfræsning
• Ultralydsdispersion af nanopartikler
• ultralyd nano-emulgering
• ultralyd ekstraktion
• ultralyd opløsning
• Ultralydscelleforstyrrelse og lysis
• ultralydsafgasning og afluftning
• Sono-kemi (sono-syntese, sono-katalyse)

Hvordan fungerer Power Ultrasound? – Arbejdsprincippet for akustisk kavitation

Til højtydende ultralydsapplikation såsom homogenisering, partikelstørrelsesreduktion, opløsning eller nanodispersioner genereres højintensiv, lavfrekvent ultralyd af en ultralydstransducer og transmitteres via ultralydshorn og sonde (sonotrode) til en væske. Ultralyd med høj effekt betragtes som ultralyd i området 16-30kHz. Ultralydssonden udvider sig og trækker sig sammen f.eks. ved 20 kHz og sender derved henholdsvis 20.000 vibrationer i sekundet ind i mediet. Når ultralydsbølgerne bevæger sig gennem væsken, skaber skiftende højtrykscyklusser (kompression) / lavtryk (sjældenhed / ekspansion) små hulrum (vakuumbobler), der vokser over flere trykcyklusser. Under kompressionsfasen af væsken og boblerne er trykket positivt, mens sjældenhedsfasen producerer et vakuum (undertryk.) Under kompressions-ekspansionscyklusserne vokser hulrummene i væsken, 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 / ultralydskavitation. Akustisk kavitation er kendetegnet ved mangfoldige meget energiske effekter, som påvirker væsker, faste / væskesystemer samt gas/væskesystemer. Den energitætte zone eller kavitationszone er kendt som den såkaldte hot-spot zone, som er mest energitæt i umiddelbar nærhed af ultralydssonden og falder med stigende afstand fra sonotroden. De vigtigste egenskaber ved ultralydskavitation inkluderer lokalt forekommende meget høje temperaturer og tryk og respektive differentialer, turbulenser og væskestrøm. Under implosionen af ultralydshulrum i ultralyds-hot-spots kan temperaturer på op til 5000 Kelvin, tryk på op til 200 atmosfærer og flydende stråler med op til 1000 km / t måles. Disse enestående energiintensive forhold bidrager til sonomekaniske og sonokemiske effekter, der intensiverer processer og kemiske reaktioner på forskellige måder.
Den vigtigste virkning af ultralydbehandling på væsker og opslæmninger er følgende:

• Høj forskydning: Ultralyds højforskydningskræfter forstyrrer væsker og væske-faste systemer, hvilket forårsager intens omrøring, homogenisering og masseoverførsel.
• Indvirkning: Væskestråler og streaming genereret af ultralydskavitation acceler faste stoffer i væsker, hvilket efterfølgende fører til interparticluar kollision. Når partikler kolliderer med meget høje hastigheder, eroderer, splintres de og bliver fræset og spredt fint, ofte ned til nanostørrelse. For biologisk stof såsom plantematerialer forstyrrer de højhastighedsvæskestråler og vekslende trykcyklusser cellevæggene og frigiver det intracellulære materiale. Dette resulterer i meget effektiv ekstraktion af bioaktive forbindelser og homogen blanding af biologisk stof.
• Agitation: Ultralydbehandling forårsager intense turbulenser, forskydningskræfter og mikrobevægelse i væsken eller opslæmningen. Derved intensiverer sonikering altid masseoverførsel og fremskynder derved reaktioner og processer.

Ultralydshomogenisatorer og højforskydningsblandere bruges i næsten enhver forarbejdningsindustri, der arbejder med væsker eller opslæmninger. De intense ultralydkavitationskræfter skaber intens omrøring, forskydning, partikelbrud og masseoverførsel. Derved homogeniseres, dispergeres, emulgeres, ekstraheres, opløses og/eller kemiske reaktioner initieres. Samlet set er ultralydbehandling en procesintensiverende metode, der øger udbyttet, forbedrer konverteringsrater og gør processerne mere effektive.
Almindelige ultralydsapplikationer i industrien er spredt over mange grene af fødevarer & Pharma, finkemi, energi & petrokemi, genanvendelse, bioraffinaderier osv. og omfatter følgende:

• ultralyd biodiesel syntese
• Ultralydshomogenisering af frugtsaft
• ultralydsproduktion af vacciner
• ultralyd Li-ion batteri genbrug
• Ultralydsyntese af nanomaterialer
• Ultralydsformulering af lægemidler
• ultralyd nano-emulgering af CBD
• ultralydsekstraktion af botaniske stoffer
• Forberedelse af ultralydsprøver i laboratorier
• ultralydsafgasning af væsker
• ultralyd afsvovling af råolie
• og mange flere ...

Ultralydshorn og sonder til højtydende applikationer

Hielscher Ultrasonics er mangeårig erfaring producent og distributør af ultralydapparater med høj effekt, som bruges over hele verden til tunge applikationer i mange industrier.
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.
Nedenstående tabel giver dig en indikation af den omtrentlige behandlingskapacitet for vores ultralydapparater: