Ultralydsbehandling af væsker, opslæmninger og kemiske reaktioner

Sonikering er en mekanisk behandlingsmetode, som skaber akustisk kavitation og meget intense fysiske kræfter. Derfor bruges ultralyd til talrige anvendelser såsom blanding, homogenisering, formaling, dispergering, emulgering, ekstraktion, afgasning og sonokemiske reaktioner.

Find din anvendelse i tabellen nedenfor, klik på linket, og gå direkte til den proces, der interesserer dig! Lær, hvordan sonikering forbedrer processen og dens effektivitet.

Ultralydshomogenisering

Ultralydshomogenisatorer reducerer størrelsen af små partikler i en væske for at forbedre ensartetheden og dispersionsstabiliteten. Partiklerne (den disperse fase) kan være faste stoffer eller væskedråber suspenderet i en væskefase. Ultralydshomogenisering er meget effektiv til størrelsesreduktion af bløde og hårde partikler. Hielscher fremstiller ultralydsapparater til homogenisering af ethvert væskevolumen og til batch- eller inline-behandling. Ultralydsapparater til laboratorier kan bruges til volumener fra 1,5mL til ca. 4L. Industrielle ultralydsapparater kan behandle batches fra 0,5 til ca. 2000L eller flowhastigheder fra 0,1L til 20 kubikmeter pr. time i procesudvikling og kommerciel produktion.
Opdag styrken ved ultralydshomogenisering!

Dispergering og deagglomerering med ultralyd

Dispergering og deagglomerering af faste stoffer i væsker er en vigtig anvendelse af ultralydsapparater af sondetypen. Ultralydskavitation / akustisk kavitation genererer kraftige forskydningskræfter, som nedbryder partikelagglomerater til individuelle, enkeltvist dispergerede partikler. Indblanding af pulvere i væsker er et almindeligt trin i formuleringen af forskellige produkter såsom maling, lak, kosmetiske produkter, fødevarer og drikkevarer eller polermidler. De enkelte partikler holdes sammen af tiltrækningskræfter af forskellig fysisk og kemisk art, herunder van der Waals-kræfter og væskens overfladespænding. Sonikering overvinder disse tiltrækningskræfter for at deagglomerere og dispergere partiklerne i flydende medier. Til dispergering og deagglomerering af pulvere i væsker er sonikering med høj intensitet et interessant alternativ til højtrykshomogenisatorer, blandere med høje forskydningskræfter, perlemøller eller rotor-stator-blandere.
Få dybdegående information om dispergering og deagglomerering med ultralyd!

Ultralydsemulgering

En lang række mellemprodukter og forbrugerprodukter såsom kosmetik og hudlotioner, farmaceutiske salver, lakker, malinger, smøremidler og brændstoffer er helt eller delvist baseret på emulsioner. Emulsioner er dispersioner af to eller flere ikke-blandbare væskefaser. Ultralyd med meget høj intensitet tilfører tilstrækkeligt kraftig forskydning til at dispergere en væskefase (dispergeret fase) som små dråber i en anden fase (kontinuert fase). I dispergeringszonen skaber imploderende kavitationsbobler intense chokbølger i den omgivende væske og fører til dannelse af væskestråler med høj væskehastighed (kraftig forskydning). Sonikering kan tilpasses præcist til den ønskede emulsionsstørrelse og muliggør dermed pålidelig fremstilling af mikroemulsioner og nanoemulsioner.
Klik her for at læse mere om ultralydsemulgering!

Vådformaling og findeling med ultralyd

Sonikering er en effektiv metode til vådformaling og mikrofindeling af partikler. Især ved fremstilling af opslæmninger med ultrafine partikler har ultralyd mange fordele. Metoden er overlegen i forhold til traditionelt udstyr til størrelsesreduktion såsom kolloidmøller (f.eks. kuglemøller og perlemøller), skivemøller eller strålemøller. Sonikering kan behandle opslæmninger med høj koncentration og høj viskositet – og dermed reducere det volumen, der skal behandles. Ultralydsformaling er naturligvis egnet til behandling af materialer i mikro- og nanostørrelse såsom keramik, pigmenter, bariumsulfat, calciumcarbonat eller metaloxider. Især når det gælder nanomaterialer, udmærker sonikering sig ved sin ydeevne, da dens meget virkningsfulde forskydningskræfter skaber ensartet små nanopartikler.
Læs mere om vådformaling og mikrofindeling med ultralyd!

Spraytørret TiO2 før og efter ultralydsformaling

Celledisintegration og lyse med ultralyd

Ultralydsbehandling kan nedbryde fibrøst, celluloseholdigt materiale til fine partikler og nedbryde cellestrukturens vægge. Dette frigiver mere af det intracellulære materiale såsom stivelse eller sukker til væsken. Denne effekt kan bruges til fermentering, nedbrydning og andre omdannelsesprocesser af organisk materiale. Efter formaling og findeling gør sonikering mere af det intracellulære materiale, f.eks. stivelse, samt cellevægsrester tilgængeligt for de enzymer, der omdanner stivelse til sukkerarter. Det øger også det overfladeareal, som enzymerne har adgang til under fortætning eller forsukring. Dette øger typisk hastigheden og udbyttet af gærfermentering og andre omdannelsesprocesser, f.eks. for at øge ethanolproduktionen fra biomasse.
Læs mere om disintegration af cellestrukturer med ultralyd!

Ultralydsekstraktion af plantematerialer

Ekstraktion af bioaktive forbindelser, der er lagret i celler og subcellulære partikler, er en udbredt anvendelse af ultralyd med høj intensitet. Ultralydsekstraktion bruges til at isolere sekundære metabolitter (f.eks. polyfenoler), polysakkarider, proteiner, æteriske olier og andre aktive ingredienser fra den cellulære matrix i planter og svampe. Sonikering er egnet til vand- og opløsningsmiddelekstraktion af organiske forbindelser og forbedrer betydeligt udbyttet af plantestoffer, der findes i planter eller frø. Ultralydsekstraktion bruges til fremstilling af lægemidler, nutraceutika / kosttilskud, duftstoffer og biologiske tilsætningsstoffer. Ultralyd er en grøn ekstraktionsteknik, som også bruges til ekstraktion af bioaktive komponenter i bioraffinaderier, f.eks. til at frigive værdifulde forbindelser fra uudnyttede biproduktstrømme, der dannes i industrielle processer. Sonikering er en meget effektiv teknologi til ekstraktion af plantematerialer i laboratorie- og produktionsskala.
Udforsk fordelene ved ultralydsekstraktion!

Sonokemisk anvendelse af ultralyd

Sonokemi er anvendelsen af ultralyd til kemiske reaktioner og processer. Mekanismen, der forårsager sonokemiske effekter i væsker, er fænomenet akustisk kavitation. De sonokemiske effekter på kemiske reaktioner og processer omfatter øget reaktionshastighed eller udbytte, mere effektiv energiudnyttelse, forbedret ydeevne for faseoverførselskatalysatorer, aktivering af metaller og faste stoffer eller øget reaktivitet af reagenser eller katalysatorer.
Udforsk ultralydens sonokemiske effekter!

Ultralydstransesterificering af (affalds)olie til biodiesel

Sonikering øger den kemiske reaktionshastighed og udbyttet ved transesterificering af vegetabilske olier og animalske fedtstoffer til biodiesel. Dette gør det muligt at ændre produktionen fra batchbehandling til kontinuerlig gennemstrømningsbehandling og reducerer investerings- og driftsomkostningerne. En af de største fordele ved biodieselfremstilling med ultralyd er brugen af affaldsolier såsom brugte madolier og andre oliekilder af ringe kvalitet. Ultralydstransesterificering kan omdanne selv råmaterialer af lav kvalitet til biodiesel af høj kvalitet (fedtsyremethylester / FAME). Fremstilling af biodiesel fra vegetabilske olier eller animalske fedtstoffer omfatter basekatalyseret transesterificering af fedtsyrer med methanol eller ethanol, hvorved de tilsvarende methylestere eller ethylestere dannes. Sonikering kan opnå et biodieseludbytte på over 99%. Ultralyd reducerer behandlingstiden og separationstiden betydeligt.
Klik her for at læse mere om ultralydsassisteret transesterificering af olie til biodiesel!

Afgasning, afluftning og skumfjernelse af væsker med ultralyd

Afgasning af væsker er en anden vigtig anvendelse af ultralydsapparater af sondetypen. Ultralydsvibrationer og kavitation forårsager koalescens af opløste gasser i en væske. Når de meget små gasbobler koalescerer, danner de større bobler, som hurtigt stiger op til væskens overflade, hvorfra de kan fjernes. Dermed kan afgasning og afluftning med ultralyd reducere niveauet af opløst gas til under det naturlige ligevægtsniveau.
Klik her for at læse mere om afgasning af væsker med ultralyd!

Rengøring af tråde, kabler og bånd med ultralyd

Ultralydsrengøring er et miljøvenligt alternativ til rengøring af kontinuerlige materialer såsom tråde og kabler, bånd eller rør. Virkningen af den kraftige ultralydskavitation fjerner smøremiddelrester såsom olie eller smørefedt, sæber, stearater eller støv fra materialets overflade. Hielscher Ultrasonics tilbyder forskellige ultralydssystemer til inline-rengøring af kontinuerlige profiler.
Klik her for mere information om ultralydsrengøring af kontinuerlige profiler!

Hvad gør sonikering til en overlegen behandlingsmetode?

Sonikering, dvs. brugen af højfrekvente lydbølger til at sætte væsker i bevægelse, er en effektiv behandlingsmetode af flere grunde. Her er nogle grunde til, at sonikering med høj intensitet og en lav frekvens på ca. 20kHz er særligt virkningsfuld og fordelagtig til behandling af væsker og opslæmninger:

1. Kavitation: En af hovedmekanismerne ved sonikering er dannelsen og kollapset af meget små bobler, et fænomen, der kaldes kavitation. Ved 20kHz har lydbølgerne netop den rette frekvens til effektivt at danne bobler og få dem til at kollapse. Disse boblers kollaps producerer energirige chokbølger, som kan nedbryde partikler og ødelægge celler i den væske, der sonikeres.
2. Oscillation og vibration: Ud over den genererede akustiske kavitation skaber ultralydssondens oscillation yderligere bevægelse og blanding i væsken og fremmer dermed masseoverførsel og/eller afgasning.
3. Indtrængning: Lydbølger ved 20kHz har en relativt lang bølgelængde, som gør det muligt for dem at trænge dybt ind i væsker. Ultralydskavitation er et lokalt fænomen, som opstår i området omkring ultralydssonden. Med stigende afstand til sonden falder kavitationsintensiteten. Sonikering ved 20kHz kan dog effektivt behandle større væskevolumener sammenlignet med sonikering ved højere frekvenser, som har kortere bølgelængder og kan være mere begrænset i sin indtrængningsdybde.
4. Lavt energiforbrug: Sonikering kan udføres med et 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.
5. Lineær skalerbarhed: Ultralydsprocesser kan skaleres helt lineært til større eller mindre volumener. Dette gør procestilpasninger i produktionen pålidelige, da produktkvaliteten kan holdes konstant stabil.
6. Batchbehandling og inline-gennemstrømning: Sonikering kan udføres som batchprocesser eller som kontinuerlige inline-processer. Ved sonikering af batches indsættes ultralydssonden i den åbne beholder eller den lukkede batchreaktor. Ved sonikering af en kontinuerlig væskestrøm installeres en ultralydsflowcelle. Det flydende medium passerer sonotroden (en stav, der vibrerer med ultralyd) ved en enkelt gennemløbspassage eller recirkulation og udsættes meget ensartet og effektivt for ultralydsbølgerne.

Samlet set gør kavitationens intense kræfter, det lave energiforbrug og processernes skalerbarhed sonikering med lav frekvens og høj effekt til en effektiv metode til behandling af væsker.

Funktionsprincip og anvendelse af ultralydsbehandling

Sonikering er en kommerciel behandlingsteknologi, som er taget i brug af talrige industrier til produktion i stor skala. Høj pålidelighed og skalerbarhed samt lave vedligeholdelsesomkostninger og høj energieffektivitet gør ultralydsprocessorer til et godt alternativ til traditionelt udstyr til væskebehandling. Ultralyd giver yderligere spændende muligheder: Kavitation – den grundlæggende ultralydseffekt – giver unikke resultater i biologiske, kemiske og fysiske processer. For eksempel fremstiller dispergering og emulgering med ultralyd nemt stabile formuleringer i nanostørrelse. Også inden for ekstraktion af plantematerialer er ultralyd en ikke-termisk teknik til isolering af bioaktive forbindelser.

Ultralydsblanding er baseret på akustisk kavitation og dens hydrodynamiske forskydningskræfter.

Mens ultralyd med lav intensitet eller høj frekvens hovedsageligt bruges til analyse, ikke-destruktiv prøvning og billeddannelse, bruges ultralyd med høj intensitet til behandling af væsker og pastaer, hvor intense ultralydsbølger anvendes til blanding, emulgering, dispergering og deagglomerering, celledisintegration eller enzymdeaktivering. Ved sonikering af væsker med høj intensitet forplanter lydbølgerne sig gennem de flydende medier. Dette resulterer i skiftende højtrykscyklusser (kompression) og lavtrykscyklusser (fortynding), hvis gentagelseshastighed afhænger af frekvensen. Under lavtrykscyklussen skaber ultralydsbølger 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 lokalt meget høje temperaturer (ca. 5.000K) og tryk (ca. 2.000atm). Kavitationsboblens implosion resulterer også i væskestråler med en hastighed på op til 280 meter pr. sekund.

Ultralydskavitation i væsker kan forårsage hurtig og fuldstændig afgasning; igangsætte forskellige kemiske reaktioner ved at generere frie kemiske ioner (radikaler); accelerere kemiske reaktioner ved at lette blandingen af reaktanter; forstærke polymerisations- og depolymerisationsreaktioner ved at dispergere aggregater eller ved permanent at bryde kemiske bindinger i polymerkæder; øge emulgeringshastigheder; forbedre diffusionshastigheder; fremstille højkoncentrerede emulsioner eller ensartede dispersioner af materialer i mikro- eller nanostørrelse; understøtte ekstraktion af stoffer såsom enzymer fra dyre-, plante-, gær- eller bakterieceller; fjerne vira fra inficeret væv; og endelig erodere og nedbryde modtagelige partikler, herunder mikroorganismer. (jf. Kuldiloke 2002)

Ultralyd med høj intensitet frembringer voldsom bevægelse i væsker med lav viskositet, hvilket kan bruges til at dispergere materialer i væsker. (jf. Ensminger, 1988) Ved grænseflader mellem væske og fast stof eller gas og fast stof kan kavitationsboblernes asymmetriske implosion forårsage ekstrem turbulens, som reducerer diffusionsgrænselaget, øger den konvektive masseoverførsel og fremskynder 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).