Ultralyd: Applikationer og processer
Ultralydbehandling er en mekanisk behandlingsmetode, der skaber akustisk kavitation og meget intense fysiske kræfter. Derfor bruges ultralyd til adskillige applikationer såsom blanding, homogenisering, fræsning, dispersion, emulgering, ekstraktion, afgasning og sono-kemiske reaktioner.
Nedenfor lærer du alt om typiske ultralydsapplikationer og processer.
Ultralyd homogenisering
Ultralydshomogenisatorer reducerer små partikler i en væske for at forbedre ensartethed og dispersionsstabilitet. Partiklerne (dispergeringsfasen) kan være faste stoffer eller flydende dråber suspenderet i en flydende fase. Ultralydshomogenisering er meget effektiv til reduktion af bløde og hårde partikler. Hielscher fremstiller ultralydapparater til homogenisering af ethvert væskevolumen og til batch- eller inline-behandling. Laboratorieultralydsenheder kan bruges til volumener fra 1,5 ml til ca. 4 l. Ultralydsindustrielle enheder kan behandle batches fra 0,5 til ca. 2000L eller strømningshastigheder fra 0,1L til 20 kubikmeter i timen i procesudvikling og i kommerciel produktion.
Klik her for at læse mere om ultralydshomogenisering!
Ultralydsdispergering og deagglomerering
Dispersion og deagglomerering af faste stoffer i væsker er en vigtig anvendelse af sonde-type ultralydapparater. Ultralyd / akustisk kavitation genererer høje forskydningskræfter, der bryder partikelagglomerater i individuelle, enkeltdispergerede partikler. Blanding af pulvere i væsker er et almindeligt trin i formuleringen af forskellige produkter, såsom maling, lak, kosmetiske produkter, mad og drikkevarer eller poleringsmedier. De enkelte partikler holdes sammen af tiltrækningskræfter af forskellig fysisk og kemisk art, herunder van-der-Waals-kræfter og flydende overfladespænding. Ultralydbehandling overvinder disse tiltrækningskræfter for at deagglomerere og sprede partiklerne i flydende medier. Til dispergering og deagglomerering af pulvere i væsker er ultralydbehandling med høj intensitet et interessant alternativ til højtrykshomogenisatorer, højforskydningsblandere, perlemøller eller rotor-stator-blandere.
Klik her for at læse mere om ultralydsdispergering og deagglomerering!
Ultralyd emulgering
En bred vifte af mellem- og forbrugerprodukter, såsom kosmetik og hudlotion, farmaceutiske salver, lakker, maling og smøremidler og brændstoffer, er helt eller delvist baseret på emulsioner. Emulsioner er dispersioner af to eller flere ikke-blandbare væskefaser. Højintensiv ultralyd leverer tilstrækkelig intens forskydning til at sprede en væskefase (dispergeret fase) i små dråber i en anden fase (kontinuerlig fase). I dispergeringszonen forårsager imploderende kavitationsbobler intensive chokbølger i den omgivende væske og resulterer i dannelsen af væskestråler med høj væskehastighed (høj forskydning). Ultralydbehandling kan tilpasses præcist til målemulsionsstørrelsen, hvilket giver mulighed for pålidelig produktion af mikroemulsioner og nano-emulsioner.
Klik her for at læse mere om ultralydsemulgering!

The UIP1000hdT er 1000 watt kraftig ultralydsapparat til homogenisering, fræsning og ekstraktion.
Ultralyd vådfræsning og slibning
Ultralydbehandling er et effektivt middel til vådfræsning og mikroslibning af partikler. Især til fremstilling af superfine opslæmninger har ultralyd mange fordele. Det er overlegent i forhold til traditionelt størrelsesreduktionsudstyr, såsom: kolloidmøller (f.eks. kuglemøller, perlemøller), skivemøller eller jetmøller. Ultralydbehandling kan behandle opslæmninger med høj koncentration og høj viskositet - og dermed reducere volumenet, der skal behandles. Selvfølgelig er ultralydsfræsning velegnet til behandling af mikron-størrelse og nano-størrelse materialer, såsom keramik, pigmenter, bariumsulfat, calciumcarbonat eller metaloxider. Især når det kommer til nanomaterialer, udmærker ultralydbehandling sig i ydeevne, da dens meget virkningsfulde forskydningskræfter skaber ensartede små nanopartikler.
Klik her for at læse mere om ultralydsvådfræsning og mikroslibning!
Ultralydscelleopløsning og lysis
Ultralydsbehandling kan opløse fibrøst, cellulosemateriale i fine partikler og bryde væggene i cellestrukturen. Dette frigiver mere af det intracellulære materiale, såsom stivelse eller sukker i væsken. Denne effekt kan bruges til gæring, fordøjelse og andre omdannelsesprocesser af organisk materiale. Efter formaling og formaling gør ultralydbehandling mere af det intracellulære materiale, f.eks. stivelse såvel som cellevægsrester til rådighed for de enzymer, der omdanner stivelse til sukkerarter. Det øger også overfladearealet, der udsættes for enzymerne under fortætning eller forsætkning. Dette øger typisk hastigheden og udbyttet af gærgæring og andre omdannelsesprocesser, f.eks. for at øge ethanolproduktionen fra biomasse.
Klik her for at læse mere om ultralydsopløsning af cellestrukturer!
ultralydsekstraktion af botaniske stoffer
Ekstraktion af bioaktive forbindelser lagret i celler og subcellulære partikler er en meget anvendt anvendelse af ultralyd med høj intensitet. Ultralydsekstraktion bruges til at isolere sekundære metabolitter (f.eks. Polyfenoler), polysaccharider, proteiner, æteriske olier og andre aktive ingredienser fra den cellulære matrix af planter og svampe. Sonikering er velegnet til vand- og opløsningsmiddelekstraktion af organiske forbindelser og forbedrer udbyttet af botaniske stoffer indeholdt i planter eller frø betydeligt. Ultralydsekstraktion bruges til produktion af lægemidler, nutraceuticals / kosttilskud, dufte og biologiske tilsætningsstoffer. Ultralyd er en grøn ekstraktionsteknik, der også bruges til udvinding af bioaktive komponenter i bioraffinaderier, f.eks. frigiver værdifulde forbindelser fra ikke-udnyttede biproduktstrømme dannet i industrielle processer. Ultralydbehandling er en yderst effektiv teknologi til botanisk ekstraktion i laboratorie- og produktionsskala.
Klik her for mere information om ultralydsekstraktion!
Sonokemisk anvendelse af ultralyd
Sonochemistry er anvendelsen af ultralyd til kemiske reaktioner og processer. Den mekanisme, der forårsager sonokemiske virkninger i væsker, er fænomenet akustisk kavitation. De sonokemiske virkninger på kemiske reaktioner og processer omfatter stigning i reaktionshastighed eller output, mere effektivt energiforbrug, forbedring af ydeevne af faseoverførselskatalysatorer, aktivering af metaller og faste stoffer eller stigning i reaktiviteten af reagenser eller katalysatorer.
Klik her for at læse mere om ultralydens sonokemiske virkninger!
Ultralydstransesterificering af olie til biodiesel
Ultralydbehandling øger den kemiske reaktionshastighed og udbyttet af transesterificeringen af vegetabilske olier og animalske fedtstoffer til biodiesel. Dette gør det muligt at ændre produktionen fra batchbehandling til kontinuerlig flowbehandling, og det reducerer investerings- og driftsomkostningerne. En af de største fordele ved ultralydsfremstilling af biodiesel er brugen af spildolier såsom brugte madolier og andre oliekilder af dårlig kvalitet. Ultralydstransesterificering kan konvertere selv råmateriale af lav kvalitet til biodiesel af høj kvalitet (fedtsyremethylester / FAME). Fremstillingen af biodiesel af vegetabilske olier eller animalske fedtstoffer involverer basekatalyseret transesterificering af fedtsyrer med methanol eller ethanol for at give de tilsvarende methylestere eller ethylestere. Ultralydbehandling kan opnå et biodieseludbytte på over 99%. Ultralyd reducerer behandlingstiden og separationstiden betydeligt.
Klik her for at læse mere om ultralydassisteret transesterificering af olie til biodiesel!
Ultralydsafgasning og afluftning af væsker
Afgasning af væsker er en anden vigtig anvendelse af sonde-type ultralydapparater. Ultralydsvibrationer og kavitation forårsager sammensmeltning af opløste gasser i en væske. Når de små gasbobler smelter sammen, danner de derved større bobler, som flyder hurtigt til væskens øverste overflade, hvorfra de kan fjernes. Ultralydsafgasning og afluftning kan således reducere niveauet af opløst gas under det naturlige ligevægtsniveau.
Klik her for at læse mere om ultralydsafgasning af væsker!
Ultralydstråd, kabel- og strimmelrengøring
Ultralydsrensning er et miljøvenligt alternativ til rengøring af kontinuerlige materialer, såsom tråd og kabel, tape eller rør. Effekten af den kraftige ultralydskavitation fjerner smørerester som olie eller fedt, sæber, stearater eller støv fra materialets overflade. Hielscher Ultrasonics tilbyder forskellige ultralydssystemer til inline rengøring af kontinuerlige profiler.
Klik her for mere information om ultralydsrensning af kontinuerlige profiler!
Kontakt os! / Spørg os!
Hvad gør sonikering til en overlegen behandlingsmetode?
Sonication, eller brugen af højfrekvente lydbølger til at omrøre væsker, er en effektiv behandlingsmetode af forskellige årsager. Her er nogle grunde til, at sonikering ved høj intensitet og lav frekvens på ca. 20kHz er særlig virkningsfuld og fordelagtig til behandling af væsker og opslæmninger:
- Kavitation: En af de vigtigste mekanismer for sonikering er skabelsen og sammenbruddet af små bobler, et fænomen kaldet kavitation. Ved 20kHz er lydbølgerne på den helt rigtige frekvens til at skabe og kollapse bobler effektivt. Sammenbruddet af disse bobler producerer chokbølger med høj energi, som kan nedbryde partikler og forstyrre celler i væsken, der sonikeres.
- Svingninger og vibrationer: Udover den genererede akustiske kavitation skaber svingningen af ultralydssonden yderligere omrøring og blanding i væsken og fremmer derved masseoverførsel og/eller afgasning.
- Penetration: Lydbølger ved 20 kHz har en relativt lang bølgelængde, som gør det muligt for dem at trænge dybt ind i væsker. Ultralydskavitation er et lokaliseret fænomen, der forekommer i omgivelserne af ultralydssonden. Med stigende afstand til sonden falder kavitationsintensiteten. Imidlertid kan sonikering ved 20kHz effektivt behandle større mængder væske sammenlignet med højere frekvens sonikering, som har kortere bølgelængder og kan være mere begrænset i sin penetrationsdybde.
- Lavt energiforbrug: Sonikering kan udføres med relativt lavt energiforbrug sammenlignet med andre behandlingsmetoder såsom højtrykshomogenisering eller mekanisk omrøring. Dette gør det til en mere energieffektiv og omkostningseffektiv metode til behandling af væsker.
- Lineær skalerbarhed: Ultralydsprocesser kan skaleres helt lineært til større eller mindre volumener. Dette gør procestilpasninger i produktionen pålidelige, da produktkvaliteten kan holdes konstant stabil.
- Batch- og inline-flow: Ultralydbehandling kan udføres som batch eller som kontinuerlige inline-processer. Til sonikering af batcher indsættes ultralydssonden i den åbne beholder eller lukkede batchreaktor. Til sonikering af en kontinuerlig strømningsstrøm er der installeret en ultralydsflowcelle. Det flydende medium passerer sonotroden (ultralydsvibrerende stang) i enkeltpassage eller recirkulation og er meget ensartet og effektiv udsat for ultralydbølgerne.
Samlet set gør de intense kavitationskræfter, lavt energiforbrug og processkalerbarhed lavfrekvent sonikering med høj effekt til en effektiv metode til behandling af væsker.
Arbejdsprincip og brug af ultralydsbehandling
Ultralydbehandling er en kommerciel behandlingsteknologi, som er blevet vedtaget af adskillige industrier til produktion i stor skala. Høj pålidelighed og skalerbarhed samt lave vedligeholdelsesomkostninger og høj energieffektivitet gør ultralydsprocessorer til et godt alternativ til traditionelt væskebehandlingsudstyr. Ultralyd giver yderligere spændende muligheder: Kavitation – den grundlæggende ultralydseffekt – giver unikke resultater i biologiske, kemiske og fysiske processer. For eksempel producerer ultralydsdispersion og emulgering let stabile formuleringer i nanostørrelse. Også inden for botanisk ekstraktion er ultralyd en ikke-termisk teknik til at isolere bioaktive forbindelser.
Mens ultralyd med lav intensitet eller høj frekvens hovedsageligt bruges til analyse, ikke-destruktiv test og billeddannelse, bruges ultralyd med høj intensitet til behandling af væsker og pastaer, hvor intense ultralydsbølger bruges til blanding, emulgering, dispergering og deagglomerering, celleopløsning eller enzymdeaktivering. Ved sonikering af væsker ved høje intensiteter forplanter lydbølgerne sig gennem det flydende medie. Dette resulterer i skiftevis højtryks- (kompression) og lavtrykscyklusser (sjældne) med hastigheder afhængigt af frekvensen. Under lavtrykscyklussen skaber ultralydsbølger med høj intensitet små vakuumbobler eller hulrum i væsken. Når boblerne opnår 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. 5.000 K) og tryk (ca. 2.000 atm) lokalt. Implosionen af kavitationsboblen resulterer også i væskestråler på op til 280 meter i sekundets hastighed.
Ultralydkavitation i væsker kan forårsage hurtig og fuldstændig afgasning; initiere forskellige kemiske reaktioner ved at generere frie kemiske ioner (radikaler); fremskynde kemiske reaktioner ved at lette blandingen af reaktanter; forbedre polymerisations- og depolymerisationsreaktioner ved at dispergere aggregater eller ved permanent at bryde kemiske bindinger i polymere kæder; øge emulgeringshastighederne; forbedre diffusionshastigheder; producere højkoncentrerede emulsioner eller ensartede dispersioner af materialer i mikron- eller nanostørrelse hjælpe med ekstraktion af stoffer såsom enzymer fra dyre-, plante-, gær- eller bakterieceller; fjerne vira fra inficeret væv; og endelig erodere og nedbryder modtagelige partikler, herunder mikroorganismer. (jf. Kuldiloke 2002)
Ultralyd med høj intensitet producerer voldsom omrøring i væsker med lav viskositet, som kan bruges til at sprede materialer i væsker. (jf. Ensminger, 1988) Ved grænseflader mellem væske og fast stof eller gas / fast stof kan den asymmetriske implosion af kavitationsbobler forårsage ekstreme turbulenser, der reducerer diffusionsgrænselaget, øger konvektionsmasseoverførslen og acceler diffusionen betydeligt i systemer, hvor almindelig blanding ikke er mulig. (jf. Nyborg, 1965)
Litteratur
- Seyed Mohammad Mohsen Modarres-Gheisari, Roghayeh Gavagsaz-Ghoachani, Massoud Malaki, Pedram Safarpour, Majid Zandi (2019): Ultrasonic nano-emulsification – A review. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 52, 2019. 88-105.
- Suslick, Kenneth S.; Hyeon, Taeghwan; Fang, Mingming; Cichowlas, Andrzej A. (1995): Sonochemical synthesis of nanostructured catalysts. Materials Science and Engineering: A. Proceedings of the Symposium on Engineering of Nanostructured Materials. ScienceDirect 204 (1–2): 186–192.
- Brad W. Zeiger; Kenneth S. Suslick (2011): Sonofragmentation of Molecular Crystals. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 37, 14530–14533.
- Petigny L., Périno-Issartier S., Wajsman J., Chemat F. (2013): Batch and Continuous Ultrasound Assisted Extraction of Boldo Leaves (Peumus boldus Mol.). International Journal of Molecular Science 14, 2013. 5750-5764.
- Ensminger, D. E. (1988): Acoustic and electroacoustic methods of dewatering and drying, in: Drying Tech. 6, 473 (1988).
- Kuldiloke, J. (2002): Effect of Ultrasound, Temperature and Pressure Treatments on Enzyme Activity an Quality Indicators of Fruit and Vegetable Juices; Ph.D. Thesis at Technische Universität Berlin (2002).
- Nyborg, W.L. (1965): Acoustic Streaming, Vol. 2B, Academic Press, New York (1965).

Hielscher Ultrasonics fremstiller højtydende ultralydshomogenisatorer fra Lab til industriel størrelse.