Ultralydskavitation i væsker

Ultralydskavitation er drivkraften bag væskebehandling med højintensiv ultralyd. Når kraftig ultralyd kobles ind i en væske, dannes mikroskopiske dampbobler, som vokser og kollapser voldsomt. Denne akustiske kavitation skaber intense lokale forskydningskræfter, mikrostråler, chokbølger, trykændringer og mikroblandingseffekter, der kan fremskynde homogenisering, dispergering, emulgering, ekstraktion, afgasning, celledisruption og sonokemiske reaktioner.

Sonikatorer med probe fra Hielscher bruger kontrolleret akustisk kavitation til at overføre ultralydsenergi direkte til væsker, suspensioner og opslæmninger. Fra små laboratorieprøver til kontinuerlig industriel gennemstrømningsproduktion giver systemer fra Hielscher dig mulighed for at justere amplitude, sonotrodegeometri, tryk, temperatur, volumenstrøm og opholdstid for at opnå reproducerbare kavitationsresultater.

• Til laboratorier: udvikl og optimer sonikeringsparametre i små volumener.
• Til pilotanlæg: valider kavitationsdrevne processer under realistiske behandlingsbetingelser.
• Til produktion: opskaler ultralydskavitation til batchprocesser, recirkulationsprocesser eller kontinuerlige inlineprocesser.

Funktionsprincippet for ultralydskavitation

Når væsker sonikeres ved høje intensiteter, medfører lydbølgerne, der udbreder sig i væskemedierne, skiftende højtrykscyklusser (kompression) og lavtrykscyklusser (fortynding) med en gentagelseshastighed, der afhænger af frekvensen. Under lavtrykscyklussen skaber højintensive ultralydsbølger 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 opnås meget høje temperaturer (ca. 5.000K) og tryk (ca. 2.000atm) lokalt. Kavitationsboblens implosion medfører også væskestråler med en hastighed på op til 280m/s.

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

Vigtige anvendelser af sonikatorer og akustisk kavitation

Ultralydsapparater med probe, også kendt som ultralydsprober, genererer effektivt intens akustisk kavitation i væsker. Derfor bruges de i vid udstrækning til forskellige anvendelser på tværs af brancher. Nogle af de vigtigste anvendelser af akustisk kavitation genereret af ultralydsapparater med probe omfatter:
 

1. Homogenisering: Ultralydsprober kan generere intens kavitation, der karakteriseres som et energitæt felt af vibrationer og forskydningskræfter. Disse kræfter giver fremragende blanding, sammenblanding og reduktion af partikelstørrelsen. Ultralydshomogenisering giver ensartet blandede suspensioner. Derfor bruges sonikering til at fremstille homogene kolloide suspensioner med smalle fordelingskurver.
2. Nanopartikeldispergering: Ultralydsapparater anvendes til dispergering, deagglomerering og vådformaling af nanopartikler. Lavfrekvente ultralydsbølger kan generere kraftigt virkende kavitation, som nedbryder agglomerater og reducerer partikelstørrelsen. Især den kraftige forskydning fra væskestrålerne accelererer partikler i væsken, som kolliderer med hinanden (interpartikulær kollision), så partiklerne som følge heraf brydes og eroderes. Dette giver en ensartet og stabil fordeling af partikler, som forhindrer sedimentation. Dette er afgørende inden for forskellige områder, herunder nanoteknologi, materialevidenskab og lægemidler.
3. Emulgering og blanding: Ultralydsapparater med probe bruges til at skabe emulsioner og blande væsker. Ultralydsenergien forårsager kavitation, dannelsen og kollapset af mikroskopiske bobler, som genererer intense lokale forskydningskræfter. Denne proces bidrager til at emulgere ikke-blandbare væsker og fremstille stabile og fint dispergerede emulsioner.
4. Ekstraktion: På grund af kavitationsbetingede forskydningskræfter er ultralydsapparater meget effektive til at bryde cellestrukturer op og forbedre masseoverførslen mellem fast stof og væske. Derfor bruges ultralydsekstraktion i vid udstrækning til at frigive intracellulært materiale såsom bioaktive forbindelser til fremstilling af botaniske ekstrakter af høj kvalitet.
5. Afgasning og afluftning: Ultralydsapparater med probe anvendes til at fjerne gasbobler eller opløste gasser fra væsker. Anvendelsen af ultralydskavitation fremmer gasboblernes koalescens, så de vokser og stiger op til væskens overflade. Ultralydskavitation gør afgasning til en hurtig og effektiv procedure. Dette er værdifuldt i forskellige brancher, eksempelvis inden for maling, hydraulikvæsker eller fødevare- og drikkevareforarbejdning, hvor tilstedeværelsen af gasser kan påvirke produktkvaliteten og stabiliteten negativt.
6. Sonokatalyse: Ultralydsprober kan bruges til sonokatalyse, en proces, der kombinerer akustisk kavitation med katalysatorer for at fremme kemiske reaktioner. Kavitationen, som genereres af ultralydsbølger, forbedrer masseoverførslen, øger reaktionshastighederne og fremmer dannelsen af frie radikaler, hvilket fører til mere effektive og selektive kemiske omdannelser.
7. Prøveforberedelse: Ultralydsapparater med probe bruges almindeligvis i laboratorier til prøveforberedelse. De bruges til at homogenisere, disaggregere og ekstrahere biologiske prøver såsom celler, væv og vira. Ultralydsenergien, der genereres af proben, bryder cellemembranerne op, frigiver celleindholdet og letter yderligere analyse.
8. Disintegration og celledisruption: Ultralydsapparater med probe anvendes til at disintegrere og bryde celler og væv op 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 disintegration af cellestrukturer. Inden for biologisk forskning og medicinsk diagnostik bruges ultralydsapparater med probe til cellelyse, den proces, hvor celler brydes op for at frigive deres intracellulære komponenter. Ultralydsenergi bryder cellevægge, membraner og organeller op og muliggør ekstraktion af proteiner, DNA, RNA og andre cellebestanddele.

 
Dette er nogle af de vigtigste anvendelser af ultralydsapparater med probe, men teknologien har en endnu bredere vifte af andre anvendelser, herunder sonokemi, reduktion af partikelstørrelsen (vådformaling), bottom-up-partikelsyntese og sonosyntese af kemiske stoffer og materialer i forskellige brancher såsom lægemiddelindustrien, fødevareforarbejdning, bioteknologi og miljøvidenskab.

En højhastighedssekvens (fra a til f) af billeder, der illustrerer sonomekanisk eksfoliering af en grafitflage i vand ved hjælp af UP200S, et 200W ultralydsapparat med en 3-mm sonotrode. Pilene viser, hvor partiklerne spaltes, mens kavitationsbobler trænger ind i spalten.
© Tyurnina et al. 2020

Tabellen nedenfor giver dig en indikation af vores ultralydsapparaters omtrentlige behandlingskapacitet:

Video af akustisk kavitation i væske

Følgende video demonstrerer akustisk kavitation ved en cascatrode på ultralydsapparatet UIP1000hdT i en vandfyldt glaskolonne. Glaskolonnen belyses nedefra med rødt lys for at forbedre visualiseringen af kavitationsboblerne.