Υπέρηχοι: Εφαρμογές και διαδικασίες

Υπερήχους είναι μια μηχανική μέθοδος επεξεργασίας που δημιουργεί ακουστική σπηλαίωση και πολύ έντονες φυσικές δυνάμεις. Ως εκ τούτου, υπερήχων χρησιμοποιείται για πολλές εφαρμογές όπως η ανάμειξη, ομογενοποίηση, άλεση, διασπορά, γαλακτωματοποίηση, εκχύλιση, απαέρωση, και sono-χημικές αντιδράσεις.
Παρακάτω, θα μάθετε τα πάντα για τις τυπικές εφαρμογές και διαδικασίες υπερήχων.

Ομογενοποίηση υπερήχων

Οι ομογενοποιητές υπερήχων μειώνουν τα μικρά σωματίδια σε ένα υγρό για να βελτιώσουν την ομοιομορφία και τη σταθερότητα διασποράς. Τα σωματίδια (φάση διασποράς) μπορεί να είναι στερεά ή υγρά σταγονίδια που αιωρούνται σε υγρή φάση. Υπερήχων ομογενοποίηση είναι πολύ αποτελεσματική για τη μείωση των μαλακών και σκληρών σωματιδίων. Hielscher κατασκευάζει υπερήχων για την ομογενοποίηση οποιουδήποτε όγκου υγρού και για παρτίδα ή ενσωματωμένη επεξεργασία. Εργαστηριακές συσκευές υπερήχων μπορούν να χρησιμοποιηθούν για όγκους από 1.5mL έως περίπου 4L. Οι βιομηχανικές συσκευές υπερήχων μπορούν να επεξεργαστούν παρτίδες από 0,5 έως περίπου 2000L ή ρυθμούς ροής από 0,1L έως 20 κυβικά μέτρα ανά ώρα στην ανάπτυξη της διαδικασίας και στην εμπορική παραγωγή.
Κάντε κλικ εδώ για να διαβάσετε περισσότερα σχετικά με την ομογενοποίηση υπερήχων!

Υπερήχων διασπορά και αποσυσσωμάτωση

Η διασπορά και η αποσυσσωμάτωση των στερεών σε υγρά είναι μια σημαντική εφαρμογή των υπερήχων τύπου καθετήρα. Η υπερηχητική / ακουστική σπηλαίωση δημιουργεί υψηλές δυνάμεις διάτμησης που διασπούν τα σωματίδια συσσωματώματα σε μεμονωμένα, μεμονωμένα διασκορπισμένα σωματίδια. Η ανάμειξη των σκονών σε υγρά είναι ένα κοινό βήμα στη διαμόρφωση διαφόρων προϊόντων, όπως χρώματα, βερνίκι, καλλυντικά προϊόντα, τρόφιμα και ποτά ή μέσα στίλβωσης. Τα μεμονωμένα σωματίδια συγκρατούνται μαζί από δυνάμεις έλξης διαφόρων φυσικών και χημικών φύσεων, συμπεριλαμβανομένων των δυνάμεων van-der-Waals και της τάσης της επιφάνειας του υγρού. Υπερήχους ξεπερνά αυτές τις δυνάμεις έλξης, προκειμένου να αποσυσσωματωθεί και να διασκορπιστούν τα σωματίδια σε υγρά μέσα. Για τη διασπορά και την αποσυσσωμάτωση των σκονών σε υγρά, υπερήχους υψηλής έντασης είναι μια ενδιαφέρουσα εναλλακτική λύση για ομογενοποιητές υψηλής πίεσης, μίξερ υψηλής διάτμησης, μύλους σφαιριδίων ή ρότορα-στάτορα-μίξερ.
Κάντε κλικ εδώ για να διαβάσετε περισσότερα σχετικά με υπερήχων διασπορά και αποσυσσωμάτωση!

Υπερήχων γαλακτωματοποίηση

Ένα ευρύ φάσμα ενδιάμεσων και καταναλωτικών προϊόντων, όπως καλλυντικά και λοσιόν δέρματος, φαρμακευτικές αλοιφές, βερνίκια, χρώματα και λιπαντικά και καύσιμα βασίζονται εξ ολοκλήρου ή εν μέρει σε γαλακτώματα. Τα γαλακτώματα είναι διασπορές δύο ή περισσότερων μη αναμίξιμων υγρών φάσεων. Ο πολύ εντατικός υπέρηχος παρέχει αρκετή έντονη διάτμηση για να διασκορπίσει μια υγρή φάση (διασκορπισμένη φάση) σε μικρά σταγονίδια σε μια δεύτερη φάση (συνεχής φάση). Στη ζώνη διασποράς, οι φυσαλίδες σπηλαίωσης που καταρρέουν προκαλούν έντονα κρουστικά κύματα στο περιβάλλον υγρό και έχουν ως αποτέλεσμα το σχηματισμό υγρών πίδακες υψηλής ταχύτητας υγρού (υψηλή διάτμηση). Υπερήχους μπορεί να προσαρμοστεί με ακρίβεια στο μέγεθος γαλακτώματος στόχου επιτρέποντας έτσι την αξιόπιστη παραγωγή μικρογαλακτωμάτων και νανογαλακτωμάτων.
Κάντε κλικ εδώ για να διαβάσετε περισσότερα σχετικά με υπερήχων γαλακτωματοποίηση!

Υπερήχων υγρή άλεση και λείανση

Υπερήχους είναι ένα αποτελεσματικό μέσο για την υγρή άλεση και μικρο-άλεση των σωματιδίων. Ιδιαίτερα για την κατασκευή πολτών εξαιρετικά λεπτού μεγέθους, ο υπέρηχος έχει πολλά πλεονεκτήματα. Είναι ανώτερο από τον παραδοσιακό εξοπλισμό μείωσης μεγέθους, όπως: κολλοειδείς μύλοι (π.χ. σφαιρόμυλοι, μύλοι σφαιριδίων), μύλοι δίσκων ή μύλοι τζετ. Υπερήχους μπορεί να επεξεργαστεί υψηλής συγκέντρωσης και υψηλού ιξώδους πολτούς – μειώνοντας έτσι τον όγκο προς επεξεργασία. Φυσικά, η άλεση υπερήχων είναι κατάλληλη για την επεξεργασία υλικών μικρού μεγέθους και νανο-μεγέθους, όπως κεραμικά, χρωστικές ουσίες, θειικό βάριο, ανθρακικό ασβέστιο ή οξείδια μετάλλων. Ειδικά όταν πρόκειται για νανο-υλικά, υπερήχους υπερέχει στην απόδοση καθώς οι εξαιρετικά σημαντικές δυνάμεις διάτμησης δημιουργούν ομοιόμορφα μικρά νανοσωματίδια.
Κάντε κλικ εδώ για να διαβάσετε περισσότερα σχετικά με την υγρή άλεση υπερήχων και τη μικρο-λείανση!

Ξήρανση με ψεκασμό TiO2 πριν και μετά την άλεση με υπερήχους

Υπερήχων αποσύνθεση κυττάρων και λύση

Η θεραπεία με υπερήχους μπορεί να αποσυνθέσει ινώδες, κυτταρινικό υλικό σε λεπτά σωματίδια και να σπάσει τα τοιχώματα της κυτταρικής δομής. Αυτό απελευθερώνει περισσότερο από το ενδοκυτταρικό υλικό, όπως άμυλο ή ζάχαρη στο υγρό. Αυτό το φαινόμενο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για ζύμωση, πέψη και άλλες διαδικασίες μετατροπής οργανικής ύλης. Μετά την άλεση και λείανση, υπερήχους κάνει περισσότερο από το ενδοκυτταρικό υλικό, π.χ. άμυλο, καθώς και τα συντρίμμια κυτταρικού τοιχώματος διαθέσιμα στα ένζυμα που μετατρέπουν το άμυλο σε σάκχαρα. Αυξάνει επίσης την επιφάνεια που εκτίθεται στα ένζυμα κατά τη διάρκεια της υγροποίησης ή της σακχαροποίησης. Αυτό συνήθως αυξάνει την ταχύτητα και την απόδοση της ζύμωσης ζύμης και άλλων διαδικασιών μετατροπής, π.χ. για την ενίσχυση της παραγωγής αιθανόλης από βιομάζα.
Κάντε κλικ εδώ για να διαβάσετε περισσότερα σχετικά με την υπερηχητική αποσύνθεση των κυτταρικών δομών!

Υπερήχων εκχύλιση των βοτάνων

Η εκχύλιση βιοδραστικών ενώσεων που αποθηκεύονται σε κύτταρα και υποκυτταρικά σωματίδια είναι μια ευρέως χρησιμοποιούμενη εφαρμογή υπερήχων υψηλής έντασης. Υπερήχων εκχύλιση χρησιμοποιείται για την απομόνωση δευτερογενών μεταβολιτών (π.χ., πολυφαινόλες), πολυσακχαρίτες, πρωτεΐνες, αιθέρια έλαια και άλλα δραστικά συστατικά από την κυτταρική μήτρα των φυτών και των μυκήτων. Κατάλληλο για εκχύλιση οργανικών ενώσεων με νερό και διαλύτη, η υπερήχηση βελτιώνει σημαντικά την απόδοση των βοτάνων που περιέχονται σε φυτά ή σπόρους. Υπερήχων εκχύλιση χρησιμοποιείται για την παραγωγή φαρμακευτικών προϊόντων, nutraceuticals / συμπληρώματα διατροφής, αρώματα και βιολογικά πρόσθετα. Υπερήχων είναι μια πράσινη τεχνική εκχύλισης που χρησιμοποιείται επίσης για την εκχύλιση των βιοδραστικών συστατικών σε βιοδιυλιστήρια, π.χ. απελευθέρωση πολύτιμων ενώσεων από μη χρησιμοποιούμενα ρεύματα υποπροϊόντων που σχηματίζονται σε βιομηχανικές διεργασίες. Υπερήχους είναι μια εξαιρετικά αποτελεσματική τεχνολογία για βοτανική εκχύλιση σε εργαστηριακή και παραγωγική κλίμακα.
Κάντε κλικ εδώ για περισσότερες πληροφορίες σχετικά με την εκχύλιση με υπερήχους!

Sonochemical εφαρμογή των υπερήχων

Η Sonochemistry είναι η εφαρμογή υπερήχων σε χημικές αντιδράσεις και διεργασίες. Ο μηχανισμός που προκαλεί sonochemical επιδράσεις στα υγρά είναι το φαινόμενο της ακουστικής σπηλαίωσης. Οι sonochemical επιδράσεις στις χημικές αντιδράσεις και διεργασίες περιλαμβάνουν αύξηση της ταχύτητας ή της εξόδου αντίδρασης, αποδοτικότερη χρήση ενέργειας, βελτίωση της απόδοσης των καταλυτών μεταφοράς φάσης, ενεργοποίηση μετάλλων και στερεών ή αύξηση της δραστικότητας αντιδραστηρίων ή καταλυτών.
Κάντε κλικ εδώ για να διαβάσετε περισσότερα σχετικά με τις sonochemical επιδράσεις των υπερήχων!

Υπερήχων μετεστεροποίηση του πετρελαίου στο βιοντίζελ

Υπερήχους αυξάνει την ταχύτητα χημικής αντίδρασης και την απόδοση της μετεστεροποίησης των φυτικών ελαίων και των ζωικών λιπών σε βιοντίζελ. Αυτό επιτρέπει την αλλαγή της παραγωγής από επεξεργασία παρτίδας σε επεξεργασία συνεχούς ροής και μειώνει το επενδυτικό και λειτουργικό κόστος. Ένα από τα σημαντικότερα πλεονεκτήματα της κατασκευής βιοντίζελ υπερήχων είναι η χρήση χρησιμοποιημένων ελαίων, όπως χρησιμοποιημένα μαγειρικά έλαια και άλλες πηγές πετρελαίου κακής ποιότητας. Υπερήχων μετεστεροποίηση μπορεί να μετατρέψει ακόμη και χαμηλής ποιότητας πρώτη ύλη σε υψηλής ποιότητας βιοντίζελ (μεθυλεστέρας λιπαρών οξέων / FAME). Η παρασκευή βιοντίζελ από φυτικά έλαια ή ζωικά λίπη, περιλαμβάνει τη βασική μετεστεροποίηση λιπαρών οξέων με μεθανόλη ή αιθανόλη για να δώσει τους αντίστοιχους μεθυλεστέρες ή αιθυλεστέρες. Υπερήχους μπορεί να επιτύχει απόδοση βιοντίζελ άνω του 99%. Ο υπέρηχος μειώνει σημαντικά το χρόνο επεξεργασίας και το χρόνο διαχωρισμού.
Κάντε κλικ εδώ για να διαβάσετε περισσότερα σχετικά με την υπερηχητικά υποβοηθούμενη μετεστεροποίηση του πετρελαίου σε βιοντίζελ!

Υπερήχων απαέρωση και απαέρωση υγρών

Η απαέρωση υγρών είναι μια άλλη σημαντική εφαρμογή υπερήχων τύπου καθετήρα. Οι υπερηχητικές δονήσεις και η σπηλαίωση προκαλούν τη συσσωμάτωση των διαλυμένων αερίων σε ένα υγρό. Καθώς οι λεπτές φυσαλίδες αερίου συγχωνεύονται, σχηματίζουν έτσι μεγαλύτερες φυσαλίδες που επιπλέουν γρήγορα στην επάνω επιφάνεια του υγρού από εκεί μπορούν να αφαιρεθούν. Έτσι, η απαέρωση με υπερήχους και η απαέρωση μπορούν να μειώσουν το επίπεδο του διαλυμένου αερίου κάτω από το επίπεδο φυσικής ισορροπίας.
Κάντε κλικ εδώ για να διαβάσετε περισσότερα σχετικά με την υπερηχητική απαέρωση υγρών!

Καθαρισμός καλωδίων υπερήχων, καλωδίων και λωρίδων

Ο καθαρισμός με υπερήχους είναι μια φιλική προς το περιβάλλον εναλλακτική λύση για τον καθαρισμό συνεχών υλικών, όπως σύρμα και καλώδιο, ταινία ή σωλήνες. Η επίδραση της ισχυρής υπερηχητικής σπηλαίωσης αφαιρεί υπολείμματα λίπανσης όπως λάδι ή γράσο, σαπούνια, στεατικά ή σκόνη από την επιφάνεια του υλικού. Hielscher Υπέρηχοι προσφέρει διάφορα συστήματα υπερήχων για τον ενσωματωμένο καθαρισμό των συνεχών προφίλ.
Κάντε κλικ εδώ για περισσότερες πληροφορίες σχετικά με τον καθαρισμό με υπερήχους συνεχών προφίλ!

Τι κάνει την υπερήχηση μια ανώτερη μέθοδο επεξεργασίας;

Κατεργασία με υπερήχους, ή η χρήση ηχητικών κυμάτων υψηλής συχνότητας για την ανάδευση υγρών, είναι μια αποτελεσματική μέθοδος επεξεργασίας για διάφορους λόγους. Ακολουθούν ορισμένοι λόγοι για τους οποίους η υπερήχηση σε υψηλή ένταση και χαμηλή συχνότητα περίπου 20kHz είναι ιδιαίτερα σημαντική και επωφελής για την επεξεργασία υγρών και πολτών:

1. Σπηλαίωση: Ένας από τους κύριους μηχανισμούς υπερήχων είναι η δημιουργία και η κατάρρευση μικροσκοπικών φυσαλίδων, ένα φαινόμενο που ονομάζεται σπηλαίωση. Στα 20kHz, τα ηχητικά κύματα βρίσκονται ακριβώς στη σωστή συχνότητα για να δημιουργήσουν και να συμπτύξουν φυσαλίδες αποτελεσματικά. Η κατάρρευση αυτών των φυσαλίδων παράγει κρουστικά κύματα υψηλής ενέργειας, τα οποία μπορούν να διασπάσουν σωματίδια και να διαταράξουν τα κύτταρα στο υγρό που υποβάλλεται σε υπερήχους.
2. Ταλάντωση και κραδασμοί: Εκτός από την παραγόμενη ακουστική σπηλαίωση, η ταλάντωση του υπερηχητικού καθετήρα δημιουργεί πρόσθετη ανάδευση και ανάμιξη στο υγρό, προωθώντας έτσι τη μεταφορά μάζας ή / και την απαέρωση.
3. Διείσδυση: Τα ηχητικά κύματα στα 20kHz έχουν σχετικά μεγάλο μήκος κύματος, το οποίο τους επιτρέπει να διεισδύσουν βαθιά σε υγρά. Υπερήχων σπηλαίωση είναι ένα εντοπισμένο φαινόμενο που εμφανίζεται στο περιβάλλον του υπερηχητικού καθετήρα. Με την αύξηση της απόστασης από τον καθετήρα, η ένταση σπηλαίωσης μειώνεται. Ωστόσο, υπερήχηση σε 20kHz μπορεί να επεξεργαστεί αποτελεσματικά μεγαλύτερους όγκους υγρού, σε σύγκριση με υπερήχηση υψηλότερης συχνότητας που έχει μικρότερα μήκη κύματος και μπορεί να είναι πιο περιορισμένη στο βάθος διείσδυσής της.
4. Χαμηλή κατανάλωση ενέργειας: Κατεργασία με υπερήχους μπορεί να επιτευχθεί με σχετικά χαμηλή κατανάλωση ενέργειας σε σύγκριση με άλλες μεθόδους επεξεργασίας, όπως ομογενοποίηση υψηλής πίεσης ή μηχανική ανάδευση. Αυτό το καθιστά μια πιο ενεργειακά αποδοτική και οικονομικά αποδοτική μέθοδο επεξεργασίας υγρών.
5. Γραμμική επεκτασιμότητα: Υπερήχων διαδικασίες μπορεί να κλιμακωθεί εντελώς γραμμική σε μεγαλύτερους ή μικρότερους όγκους. Αυτό καθιστά αξιόπιστες τις προσαρμογές της διαδικασίας στην παραγωγή, καθώς η ποιότητα του προϊόντος μπορεί να διατηρείται συνεχώς σταθερή.
6. Ροή παρτίδας και ενσωματωμένη ροή: Υπερήχους μπορεί να εκτελεστεί ως παρτίδα ή ως συνεχείς ενσωματωμένες διαδικασίες. Για την υπερήχηση των παρτίδων, ο υπερηχητικός καθετήρας εισάγεται στο ανοικτό δοχείο ή στον κλειστό αντιδραστήρα παρτίδας. Για την υπερήχηση ενός συνεχούς ρεύματος ροής, εγκαθίσταται ένα υπερηχητικό κύτταρο ροής. Το υγρό μέσο περνά το sonotrode (ράβδος δόνησης υπερήχων) σε μονή διέλευση ή ανακυκλοφορία και είναι εξαιρετικά ομοιόμορφο και αποτελεσματικό εκτεθειμένο στα κύματα υπερήχων.

Συνολικά, οι έντονες δυνάμεις της σπηλαίωσης, η χαμηλή κατανάλωση ενέργειας και η επεκτασιμότητα της διαδικασίας καθιστούν τη χαμηλής συχνότητας, υψηλής ισχύος υπερήχηση μια αποτελεσματική μέθοδο επεξεργασίας υγρών.

Αρχή λειτουργίας και χρήση επεξεργασίας υπερήχων

Υπερήχους είναι μια εμπορική τεχνολογία επεξεργασίας, η οποία έχει υιοθετηθεί από πολλές βιομηχανίες για παραγωγή μεγάλης κλίμακας. Η υψηλή αξιοπιστία και scaleablility, καθώς και το χαμηλό κόστος συντήρησης και η υψηλή ενεργειακή απόδοση καθιστούν τους επεξεργαστές υπερήχων μια καλή εναλλακτική λύση για τον παραδοσιακό εξοπλισμό επεξεργασίας υγρών. Ο υπέρηχος προσφέρει επιπλέον συναρπαστικές ευκαιρίες: Η σπηλαίωση – το βασικό αποτέλεσμα υπερήχων – παράγει μοναδικά αποτελέσματα σε βιολογικές, χημικές και φυσικές διεργασίες. Για παράδειγμα, υπερήχων διασπορά και γαλακτωματοποίηση παράγει εύκολα σταθερά νανο-μεγέθους σκευάσματα. Επίσης στον τομέα της βοτανικής εκχύλισης, ο υπέρηχος είναι μια μη θερμική τεχνική για την απομόνωση βιοδραστικών ενώσεων.

Ενώ το υπερηχογράφημα χαμηλής ή υψηλής συχνότητας χρησιμοποιείται κυρίως για ανάλυση, μη καταστροφικές δοκιμές και απεικόνιση, το υπερηχογράφημα υψηλής έντασης χρησιμοποιείται για την επεξεργασία υγρών και παστών, όπου έντονα κύματα υπερήχων χρησιμοποιούνται για ανάμιξη, γαλακτωματοποίηση, διασπορά και αποσυσσωμάτωση, κυτταρική αποσύνθεση ή απενεργοποίηση ενζύμων. Όταν κατεργασία με υπερήχους υγρά σε υψηλές εντάσεις, τα ηχητικά κύματα διαδίδονται μέσω των υγρών μέσων. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα εναλλασσόμενους κύκλους υψηλής πίεσης (συμπίεσης) και χαμηλής πίεσης (αραίωση), με ρυθμούς ανάλογα με τη συχνότητα. Κατά τη διάρκεια του κύκλου χαμηλής πίεσης, τα υψηλής έντασης υπερηχητικά κύματα δημιουργούν μικρές φυσαλίδες κενού ή κενά στο υγρό. Όταν οι φυσαλίδες επιτύχουν έναν όγκο στον οποίο δεν μπορούν πλέον να απορροφήσουν ενέργεια, καταρρέουν βίαια κατά τη διάρκεια ενός κύκλου υψηλής πίεσης. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται σπηλαίωση. Κατά τη διάρκεια της κατάρρευσης πολύ υψηλές θερμοκρασίες (περίπου 5.000K) και πιέσεις (περίπου 2.000atm) επιτυγχάνονται τοπικά. Η κατάρρευση της φυσαλίδας σπηλαίωσης οδηγεί επίσης σε υγρούς πίδακες ταχύτητας έως και 280 μέτρα ανά δευτερόλεπτο.

Υπερήχων σπηλαίωση σε υγρά μπορεί να προκαλέσει γρήγορη και πλήρη απαέρωση; να ξεκινήσουν διάφορες χημικές αντιδράσεις δημιουργώντας ελεύθερα χημικά ιόντα (ρίζες). επιταχύνουν τις χημικές αντιδράσεις διευκολύνοντας την ανάμειξη αντιδρώντων. ενισχύουν τις αντιδράσεις πολυμερισμού και αποπολυμερισμού διασκορπίζοντας συσσωματώματα ή σπάζοντας μόνιμα χημικούς δεσμούς σε πολυμερείς αλυσίδες. αύξηση των ποσοστών γαλακτωματοποίησης. βελτίωση των ποσοστών διάχυσης· παράγουν γαλακτώματα υψηλής συγκέντρωσης ή ομοιόμορφες διασπορές υλικών μικρού ή νανομεγέθους· βοηθούν στην εκχύλιση ουσιών όπως ένζυμα από ζωικά, φυτικά, ζυμομύκητες ή βακτηριακά κύτταρα· αφαιρέστε τους ιούς από μολυσμένο ιστό. και, τέλος, διαβρώνουν και διασπούν ευαίσθητα σωματίδια, συμπεριλαμβανομένων των μικροοργανισμών. (πρβλ. Kuldiloke 2002)

Ο υπέρηχος υψηλής έντασης παράγει βίαιη ανάδευση σε υγρά χαμηλού ιξώδους, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη διασπορά υλικών σε υγρά. (πρβλ. Ensminger, 1988) Σε διεπαφές υγρού/στερεού ή αερίου/στερεού, η ασύμμετρη κατάρρευση φυσαλίδων σπηλαίωσης μπορεί να προκαλέσει ακραίες αναταράξεις που μειώνουν το οριακό στρώμα διάχυσης, αυξάνουν τη μεταφορά μάζας μεταφοράς και επιταχύνουν σημαντικά τη διάχυση σε συστήματα όπου η συνηθισμένη ανάμειξη δεν είναι δυνατή. (πρβλ. Nyborg, 1965)

Λογοτεχνία