Ultralydkavitation i væsker

Ultralydsbølger af ultralyd med høj intensitet genererer akustisk kavitation i væsker. Kavitation forårsager ekstreme effekter lokalt, såsom væskestråler på op til 1000 km/t, tryk på op til 2000 atm og temperaturer på op til 5000 Kelvin. Disse ultralydsgenererede kræfter bruges til adskillige væskebehandlingsapplikationer såsom homogenisering, dispergering, emulgering, ekstraktion, celleforstyrrelse samt intensivering af kemiske reaktioner.

Arbejdsprincippet for ultralydskavitation

Ved sonikering af væsker ved høje intensiteter resulterer lydbølgerne, der forplanter sig ind i det flydende medie, i skiftende højtryk (kompression) og lavtryk (sjældenhed) cyklusser, 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 med en hastighed på op til 280 m/s.

Akustisk kavitation (genereret af power ultralyd) skaber lokalt ekstreme forhold, såkaldte sonomekaniske og sonokemiske effekter. På grund af disse virkninger fremmer sonikering kemiske reaktioner, der fører til højere udbytter, hurtigere reaktionshastighed, nye veje og forbedret samlet effektivitet.

Nøgleanvendelser af ultralydapparater ved hjælp af akustisk kavitation

Sonde-type ultralydapparater, også kendt som ultralydssonder, genererer effektivt intens akustisk kavitation i væsker. Derfor er de meget udbredt i forskellige applikationer på tværs af forskellige brancher. Nogle af de vigtigste anvendelser af akustisk kavitation genereret af sonde-type ultralydapparater inkluderer:
 

1. Homogenisering: Ultralydssonder kan generere intens kavitation, som er karakteriseret som et energitæt felt af vibrations- og forskydningskræfter. Disse kræfter giver fremragende blanding, blanding og reduktion af partikelstørrelse. Ultralydshomogenisering producerer ensartet blandede suspensioner. Derfor anvendes sonikering til at fremstille homogen kolloid suspension med smalle fordelingskurver.
2. Nanopartikel spredning: Ultralydapparater anvendes til dispersion, deagglomerering og vådfræsning af nanopartikler. Lavfrekvente ultralydsbølger kan generere virkningsfuld kavitation, som nedbryder agglomerater og reducerer partikelstørrelsen. Især den høje forskydning af væskestrålerne acceler partikler i væsken, som kolliderer med hinanden (interpartikelkollision), så partiklerne følgelig går i stykker og eroderer. Dette resulterer i en ensartet og stabil fordeling af partikler, der forhindrer sedimentering. Dette er afgørende inden for forskellige områder, herunder nanoteknologi, materialevidenskab og lægemidler.
3. Emulgering og blanding: Sonde-type ultralydapparater bruges til at skabe emulsioner og blande væsker. Ultralydsenergien forårsager kavitation, dannelse og sammenbrud af mikroskopiske bobler, hvilket genererer intense lokale forskydningskræfter. Denne proces hjælper med at emulgere ikke-blandbare væsker og producerer stabile og fint dispergerede emulsioner.
4. Ekstraktion: På grund af kavitationelle forskydningskræfter er ultralydapparater yderst effektive til at forstyrre cellulære strukturer og forbedre masseoverførsel mellem fast og flydende. Derfor bruges ultralydsekstraktion i vid udstrækning til at frigive intracellulært materiale såsom bioaktive forbindelser til produktion af botaniske ekstrakter af høj kvalitet.
5. Afgasning og afluftning: Ultralydapparater af sondetype anvendes til at fjerne gasbobler eller opløste gasser fra væsker. Anvendelsen af ultralydskavitation fremmer sammensmeltningen af gasbobler, så de vokser og flyder til toppen af væsken. Ultralydskavitation gør afgasning til en hurtig og effektiv procedure. Dette er værdifuldt i forskellige industrier, såsom i maling, hydraulikvæsker eller fødevare- og drikkevareforarbejdning, hvor tilstedeværelsen af gasser kan påvirke produktkvaliteten og stabiliteten negativt.
6. Sonokatalyse: Ultralydssonder kan bruges til sonokatalyse, en proces, der kombinerer akustisk kavitation med katalysatorer for at forbedre kemiske reaktioner. Kavitationen genereret af ultralydsbølger forbedrer masseoverførslen, øger reaktionshastighederne og fremmer produktionen af frie radikaler, hvilket fører til mere effektive og selektive kemiske transformationer.
7. Forberedelse af prøve: Sonde-type ultralydapparater anvendes almindeligvis i laboratorier til prøveforberedelse. De bruges til at homogenisere, opdele og udtrække biologiske prøver, såsom celler, væv og vira. Ultralydsenergien, der genereres af sonden, forstyrrer cellemembranerne, frigiver cellulært indhold og letter yderligere analyse.
8. Opløsning og celleforstyrrelser: Sonde-type ultralydapparater bruges til at opløse og forstyrre celler og væv til forskellige formål, såsom ekstraktion af intracellulære komponenter, mikrobiel inaktivering eller prøveforberedelse til analyse. De højintensive ultralydsbølger og den derved genererede kavitation forårsager mekanisk belastning og forskydningskræfter, hvilket resulterer i opløsning af cellestrukturer. I biologisk forskning og medicinsk diagnostik anvendes sonde-type ultralydapparater til cellelyse, processen med at bryde celler op for at frigive deres intracellulære komponenter. Ultralydsenergi forstyrrer cellevægge, membraner og organeller, hvilket muliggør ekstraktion af proteiner, DNA, RNA og andre cellulære bestanddele.

 
Dette er nogle af de vigtigste anvendelser af sonde-type ultralydapparater, men teknologien har en endnu bredere vifte af andre anvendelser, herunder sonokemi, partikelstørrelsesreduktion (vådfræsning), bottom-up partikelsyntese og sonosyntese af kemiske stoffer og materialer i forskellige industrier såsom lægemidler, fødevareforarbejdning, bioteknologi og miljøvidenskab.

En højhastighedssekvens (fra a til f) af billeder, der illustrerer sono-mekanisk eksfoliering af en grafitflage i vand ved hjælp af UP200S, en 200W ultralydsapparat med 3 mm sonotrode. Pile viser stedet for opdeling af partikler med kavitationsbobler, der trænger ind i splittelsen.
© Tyurnina et al. 2020

Video af akustisk kavitation i væske

Følgende video demonstrerer akustisk kavitation ved kascatroden af ultralydsapparatet UIP1000hdT i en vandfyldt glassøjle. Glassøjlen belyses nedefra med rødt lys for at forbedre visualiseringen af kavitationsboblerne.

Nedenstående tabel giver dig en indikation af den omtrentlige behandlingskapacitet for vores ultralydapparater: