Probe-Type Sonication vs Ultrasonic Bath: En Effektivitets Sammenligning

Sonikationsprocesser kan udføres ved brug af en ultralydshomogenisator af sondtype eller et ultralydbad. Selvom begge teknikker anvender ultralyd til prøven, er der betydelige forskelle i effektivitet, effektivitet og procesfunktioner.

De ønskede virkninger af sonikerende væsker – herunder homogenisering, dispergering, deagglomerering, fræsning, emulgering, ekstraktion, lysis, opløsning, sonochemistry - er forårsaget af akustisk kavitation. Ved at indføre ultralyd med høj effekt i et flydende medium transmitteres lydbølgerne i væsken og skaber vekslende højtryks- (kompression) og lavtrykscyklusser (sjældenhed) med hastigheder afhængigt af frekvensen. Under lavtrykscyklussen skaber ultralydbølger med høj intensitet små vakuumbobler eller hulrum i væsken. Når boblerne når et volumen, hvor de ikke længere kan absorbere energi, kollapser de voldsomt under en højtrykscyklus. Dette fænomen kaldes kavitation. Under implosionen nås meget høje temperaturer (ca. 5.000K) og tryk (ca. 2.000 atm) lokalt. Implosionen af kavitationsboblen resulterer også i væskestråler på op til 280 m / s hastighed. [Suslick 1998]

Sonde-type sonikator UP100H vs ultralydbad: Sonde-type sonikatorer udmærker sig med fokuseret ultralydstransmission og reproducerbare resultater

Sonde-type sonikator vs ultralydbad – Udforsk hvorfor sonde-type sonikatorer udmærker sig i effektivitet og pålidelighed

 

I denne video sammenligner vi ekstraktionskraften i et ultralydbad - også kendt som en ultralydsrenser - med en Hielscher UP100H ultralydssonde.

Svampeekstraktion - Bad vs sonde ultralydbehandling - Sammenligning side om side

Videominiaturebillede

 

Kavitationsbobler kan differentieres i stabile og forbigående bobler. (Klik for større billede!)

Fig. 1: Oprettelse af stabile og forbigående kavitationsbobler. a) forskydning, b) forbigående kavitation, c) stabil kavitation, d) tryk
[tilpasset fra Santos et al. 2009]

Moholkar et al. (2000) fandt ud af, at boblerne i området med højeste kavitationsintensitet gennemgik en forbigående bevægelse, mens boblerne i området med laveste kavitationsintensitet gennemgik stabil / oscillerende bevægelse. Den forbigående sammenbrud af boblerne, som giver anledning til lokale temperatur- og trykmaxima, er kernen i de observerede effekter af ultralyd på kemiske systemer.
Intensiteten af ​​ultralyd er en funktion af energiindgangen og det sonotrode overfladeareal. For en given energiindgang gælder: Jo større overfladen af ​​sonotroden er, desto lavere er ultralydets intensitet.
Ultralydbølger kan genereres af forskellige typer ultralydsystemer. I det følgende sammenlignes forskellene mellem sonikering ved anvendelse af et ultralydbad, ultralydsondeindretning i en åben beholder og ultralydsondsanordning med flowcellekammer.

Sammenligning af cavitational hot spot distribution

Til ultralydsapplikationer anvendes ultralydsonder (sonotroder / horn) og ultralydsbade. “Blandt disse to ultralydsmetoder er sonikeringen af sonikering mere effektiv og kraftfuld end ultralydbadet i anvendelsen af nanopartiklers dispersion; ultralydsbadenheden kan give en svag ultralydbehandling med ca. 20-40 W / L og en meget ikke-ensartet fordeling, mens ultralydsonden enheden kan give 20.000 W / L i væsken. Således betyder det, at en ultralydsondeenhed udmærker ultralydsbadenheden med faktoren 1000.” (jf. Asadi et al., 2019)

Sammenligning af kavitationel hot spot-distribution

Inden for ultralydsapplikationer spiller både ultralydssonder (sonotroder / horn) og ultralydbade afgørende roller. Men når det kommer til nanopartikeldispersion, overgår sondesonikering signifikant ultralydbade. Ifølge Asadi et al. (2019) genererer ultralydbade typisk en svagere ultralydbehandling på ca. 20-40 W / L med en meget uensartet fordeling. I skarp kontrast kan ultralydssondeenheder levere forbløffende 20.000 watt pr. Liter i væsken, hvilket viser en effektivitet, der overgår ultralydsbade med en faktor på 1000. Denne markante forskel fremhæver sondens overlegne evne til at opnå effektiv og ensartet nanopartikeldispersion.

Ultralyd bade

Lær hvorfor ultralydssonder overgår ultralydsrensningstanke og bad-type sonikatorer.I et ultralydbad forekommer kavitation ikke-overensstemmende og ukontrollabelt fordelt gennem tanken. Sonikeringseffekten er af lav intensitet og ujævnt spredt. Repeterbarheden og skalerbarheden af processen er meget dårlig.
Billedet nedenfor viser resultaterne af en folietest i en ultralydstank. Derfor placeres en tynd aluminium eller tinfolie i bunden af en vandfyldt ultralydstank. Efter sonikering er enkelte erosionsmærker synlige. Disse enkelte perforerede pletter og huller i folien angiver de kavitationelle hot spots. På grund af den lave energi og den ujævne fordeling af ultralydet i tanken forekommer erosionsmærkerne kun pletvis. Derfor bruges ultralydsbade mest til rengøringsapplikationer.
 

I et ultralydbad eller tank forekommer ultralydets hot spot meget ujævnt. (Klik for større billede!)

I et ultralydbad eller en tank forekommer hot spot af akustisk kavitation meget ujævnt.

 
Tallene nedenfor viser den ujævne fordeling af cavitational hot spots i et ultralydbad. I figur 2 er et bad med et bundområde på 20×10 cm er blevet brugt.
 

Ultralydsonde-type enheder vs ultralydstanke. Hielscher Ultrasonics demonstrerer forskellene i akustiske kavitationsfelter

Fig.2 viser den rumlige fordeling af ultralydsfeltet i ultralydbadet:
a) ved hjælp af 1 liter vand i badet og b) ved anvendelse af den samlede mængde vand på 2 liter vand i badet.
[Nascentes et al., 2010]

 
Til målingerne vist i figur 3 er der anvendt et ultralydbad med et bundrum på 12x10cm.

Ujævn kavitation i et ultralydbad (Klik for større billede!)

Fig. 3 viser den rumlige fordeling af ultralydsfeltet i et ultralydbad:
a) ved hjælp af 1 liter vand i badet og b) ved anvendelse af den samlede mængde vand på 1,3 liter vand i badet.
[Nascentes et al., 2001]

 
Begge målinger afslører, at fordelingen af ultralydbestrålingsfeltet i ultralydstankene er meget ujævn. Undersøgelsen af ultralydbestråling på forskellige steder i badet viser betydelige rumlige variationer i kavitationsintensiteten i ultralydbadet.

Figur 4 nedenfor sammenligner effektiviteten af et ultralydbad og en ultralydssondeanordning eksemplificeret ved affarvning af azofarvestof methylviolet.

Fig. 4: Sonde-type sonikatorer anvender lokaliseret meget høj energiintensitet sammenlignet med den lave ultralydstæthed af ultralydstanke og bade.

Dhanalakshmi et al. fandt i deres undersøgelse, at sonde-type ultralydsenheder har en høj lokaliseret intensitet sammenlignet med tank-type og dermed større lokaliseret effekt som afbildet i figur 4. Dette betyder en højere intensitet og effektivitet af sonikeringsprocessen.
En ultralydsopsætning som vist på billede 4 giver mulighed for fuld kontrol over de vigtigste parametre, såsom amplitude, tryk, temperatur, viskositet, koncentration, reaktorvolumen.

Sonikator UP200St med sonotrode S26d7D til batch-type homogenisering af eggnog

Sonde-type sonikator UP200St med sonotrode S26d7D til batch-type homogenisering af prøver

Kontakt os! / Spørg Os!

Bed om mere information

Brug venligst nedenstående formular til at anmode om yderligere oplysninger om sonde-type sonikatorer og andre, applikationer og pris. Vi vil være glade for at diskutere din proces med dig og tilbyde dig en sonikator, der opfylder dine krav!









Bemærk venligst, at vores Fortrolighedspolitik.


En ultralydsonde (sonotrode) er en titanstang, der transmitterer ultralydbølger til væsker. Som følge heraf forekommer der i væsken akustisk kavitation, som tilvejebringer de mekaniske forskydningskræfter til ultarsonisk behandling.

Billede 1: Sonotrode transmitterer effekt ultralyd i væske. Tågen under sonotrodeoverfladen indikerer kavitational hot spot-området.

Fordele Probe-Sonication:

  • intens
  • fokuseret
  • fuldt kontrollerbar
  • jævn fordeling
  • reproducerbar
  • lineær opdeling
  • batch og in-line

Fordelene ved sonde-type sonikatorer

Ultralydssonder eller sonotroder er designet til at koncentrere ultralydsenergi i et fokuseret område, typisk ved spidsen af sonden. Denne fokuserede energitransmission giver mulighed for præcis og effektiv behandling af prøver. Da sondedesignet sikrer, at en betydelig del af ultralydsenergien er rettet mod prøven, forbedres energioverførslen signifikant sammenlignet med ultralydsbade. Denne fokuserede transmission af ultralydseffekt er særlig fordelagtig for applikationer, der kræver præcis kontrol over sonikeringsparametre, såsom celleforstyrrelser, nanodispersion, nanopartikelsyntese, emulgering og botanisk ekstraktion.
Derfor tilbyder sonde-type sonikatorer forskellige fordele i forhold til ultralydsbade med hensyn til præcision, kontrol, fleksibilitet, effektivitet og skalerbarhed, hvilket gør dem uundværlige værktøjer til en bred vifte af videnskabelige og industrielle applikationer.

Sonde-type sonikatorer til åben bægerbehandling

Når prøver sonikeres ved hjælp af en ultralydssondeenhed, er den intense sonikeringszone direkte under sonotroden / sonden. Ultralydbestrålingsafstanden er begrænset til et bestemt område af sonotrodespidsen. (se billede 1)
Ultralydsprocesser i åbne bæger anvendes hovedsageligt til gennemførlighedsprøvning og til prøveudarbejdelse af mindre volumener.

Sonde-type sonikatorer med flowcelle til inline-behandling

De mest sofistikerede sonikationsresultater opnås ved en kontinuerlig behandling i en lukket gennemstrømningsmodus. Alt materiale behandles med samme ultralydintensitet, da strømningsvejen og opholdstid i ultralydreaktorkammeret styres.

Ultralyd recirkulation sæt: UIP1000hdT med flow celle, tank og pumpe

Ultralyd recirkulation sæt: UIP1000hdT med flow celle, tank og pumpe

Procesresultaterne af ultralyd væskebehandling for en given parameterkonfiguration er en funktion af energien pr. Behandlet volumen. Funktionen ændres med ændringer i individuelle parametre. Endvidere afhænger den faktiske effektudgang og intensitet pr. Overfladeareal af sonotroden af ​​en ultralydsenhed af parametrene.

Kavitationsvirkningen af ​​ultralydsbehandling afhænger af overfladens intensitet, der afskrives af amplitude (A), tryk (p), reaktorvolumenet (VR), temperaturen (T), viskositeten (η) og andre. Plus- og minustegnene indikerer en positiv eller negativ indflydelse af den specifikke parameter på sonikationsintensiteten.

Kavitationsvirkningen af ​​ultralydsbehandling afhænger af overfladens intensitet, der afskrives af amplitude (A), tryk (p), reaktorvolumenet (VR), temperaturen (T), viskositeten (η) og andre. Plus- og minustegnene indikerer en positiv eller negativ indflydelse af den specifikke parameter på sonikationsintensiteten.

Ved at kontrollere den vigtigste parameter i sonikationsprocessen er processen fuldstændig repeterbar, og de opnåede resultater kan skaleres helt lineært. Forskellige typer af sonotroder og ultralydstrømscellereaktorer giver mulighed for tilpasning til specifikke proceskrav.

Resumé: Sonde-type SOnicator vs ultralydbad

Mens et ultralydbad giver en svag sonikering med ca. 20 watt pr. liter, kun og en meget uensartet fordeling, kan sonde-type sonikatorer nemt parre ca. 20000 watt pr. liter i det forarbejdede medium. Det betyder, at en ultralydssonde-type sonikator udmærker et ultralydbad med faktor 1000 (1000x højere energiindgang pr. Volumen) på grund af en fokuseret og ensartet ultralydseffektindgang. Den fulde kontrol over de vigtigste sonikeringsparametre sikrer fuldstændigt reproducerbare resultater og den lineære skalerbarhed af procesresultaterne.

Kontakt os / bede om flere oplysninger

Tal med os om dine forarbejdning krav. Vi vil anbefale de bedst egnede setup og procesparametre til dit projekt.





Bemærk venligst, at vores Fortrolighedspolitik.


Denne video viser 200 watt ultralyd cuphorn til spredning, homogenisering, ekstraktion eller afgasning af laboratorieprøver.

Ultralyd Cuphorn (200 watt)

Videominiaturebillede

Litteratur / Referencer

  • Asadi, Amin; Pourfattah, Farzad; Miklós Szilágyi, Imre; Afrand, Masoud; Zyla, Gawel; Seon Ahn, Ho; Wongwises, Somchai; Minh Nguyen, Hoang; Arabkoohsar, Ahmad; Mahian, Omid (2019): Effect of sonication characteristics on stability, thermophysical properties, and heat transfer of nanofluids: A comprehensive review. Ultrasonics Sonochemistry 2019.
  • Moholkar, V. S.; Sable, S. P.; Pandit, A. B. (2000): Mapping the cavitation intensity in an ultrasonic bath using the acoustic emission. In: AIChE J. 2000, Vol.46/ No.4, 684-694.
  • Nascentes, C. C.; Korn, M.; Sousa, C. S.; Arruda, M. A. Z. (2001): Use of Ultrasonic Baths for Analytical Applications: A New Approach for Optimisation Conditions. In: J. Braz. Chem. Soc. 2001, Vol.12/ No.1, 57-63.
  • Santos, H. M.; Lodeiro, C., Capelo-Martinez, J.-L. (2009): The Power of Ultrasound. In: Ultrasound in Chemistry: Analytical Application. (ed. by J.-L. Capelo-Martinez). Wiley-VCH: Weinheim, 2009. 1-16.
  • Suslick, K. S. (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; 4th Ed. J. Wiley & Sons: New York, 1998, Vol. 26, 517-541.



Ofte stillede spørgsmål om ultralydssonder (FAQ)

Hvad er en ultralydsonde sonikator?

En ultralydsonde sonikator er en enhed, der bruger højfrekvente lydbølger til at forstyrre eller blande prøver. Den består af en sonde, der, når den nedsænkes i en væske, genererer ultralydsvibrationer, hvilket fører til kavitation og de ønskede prøvebehandlingseffekter.

Hvad er princippet om sonde sonikering?

Sonde sonikering virker på princippet om ultralydkavitation. Når sonden vibrerer i prøven, skaber den mikroskopiske bobler, der hurtigt udvider sig og kollapser. Denne proces genererer intense forskydningskræfter og varme, forstyrrer celler eller blander komponenter på mikroskopisk niveau.

Er en ultralydsrenser det samme som en sonikator?

Nej, de er ikke ens. En ultralydsrenser bruger meget milde ultralydbølger i et bad til at rengøre genstande, hovedsageligt gennem vibrationer og meget littly kavitation. En sonikator, specifikt en ultralydsonde sonikator, er designet til direkte, intensiv ultralydsbehandling af prøver, med fokus på forstyrrelse eller homogenisering.

Hvad er brugen af en ultralydssonde?

En ultralydssonde bruges primært til prøveforberedelsesopgaver såsom celleforstyrrelser, homogenisering, emulgering og spredning af partikler i en række forsknings- og industrielle applikationer på tværs af kemi, biologi og materialevidenskab.

Hvad er forskellen mellem sonde sonikator og kophorn?

En sonde sonikator nedsænker sonden direkte i prøven for intens sonikering. En kophornsonikator nedsænker derimod ikke sonden, men bruger en indirekte metode, hvor prøven placeres i en beholder i et vandbad, der transmitterer ultralydsenergien.

Hvorfor bruge en sonde sonikator?

En sonde sonikator bruges til sin evne til at levere direkte, højintensiv ultralydsenergi til en prøve, opnå effektiv forstyrrelse, homogenisering eller emulgering. Det er især værdifuldt for prøver, der er vanskelige at behandle, eller når der kræves præcis kontrol over processen.

Hvad er fordelene ved en sonde sonikator?

Fordele omfatter effektiv og hurtig prøvebehandling, alsidighed i applikationer, præcis kontrol over sonikeringsparametrene og evnen til at behandle en bred vifte af prøvestørrelser og typer, fra laboratorieprøver med små mængder til større industrielle partier eller strømningshastigheder.

Hvordan bruger du en ultralydssonde sonikator?

Brug af en ultralydsonde sonikator indebærer at vælge den passende sonde størrelse og sonikering parametre, nedsænkning sonde spidsen i prøven, og derefter aktivere sonikatoren for den ønskede tid og effekt indstillinger for at opnå effektiv prøvebehandling.

Hvad er forskellen mellem sonikering og ultralydbehandling?

Sonikering refererer til den generelle anvendelse af lydbølger til behandling af materialer, som kan omfatte en række frekvenser. Ultralydbehandling specificerer brugen af ultralydfrekvenser (typisk over 20 kHz) med fokus på applikationer, der kræver lydbølger med høj energi til prøvebehandling. Men de fleste mennesker henviser faktisk til ultralydapparater, når de bruger ordet sonikator.

Vi vil være glade for at diskutere din proces.

Lad os komme i kontakt.