Ultraheli: rakendused ja protsessid
Ultraheli on mehaaniline töötlemismeetod, mis loob akustilise kavitatsiooni ja väga intensiivsed füüsilised jõud. Seetõttu kasutatakse ultraheli paljudes rakendustes, nagu segamine, homogeniseerimine, jahvatamine, dispersioon, emulgeerimine, ekstraheerimine, degaseerimine ja sono-keemilised reaktsioonid.
Allpool saate teada kõike tüüpiliste ultraheli rakenduste ja protsesside kohta.
ultraheli homogeniseerimine
Ultraheli homogenisaatorid vähendavad vedelikus väikseid osakesi, et parandada ühtlust ja dispersiooni stabiilsust. Osakesed (dispergeeritud faas) võivad olla vedelas faasis suspendeeritud tahked ained või vedelad tilgad. Ultraheli homogeniseerimine on väga tõhus pehmete ja kõvade osakeste vähendamiseks. Hielscher toodab ultrasonikaatoreid mis tahes vedeliku mahu homogeniseerimiseks ja partii või inline töötlemiseks. Laboratoorseid ultraheli seadmeid saab kasutada mahtudes alates 1,5 ml kuni umbes 4L. Ultraheli tööstusseadmed võivad töödelda partiisid 0,5 kuni umbes 2000L või voolukiirust 0,1L kuni 20 kuupmeetrit tunnis protsessi arendamisel ja kaubanduslikus tootmises.
Klõpsake siin, et lugeda rohkem ultraheli homogeniseerimise kohta!
Ultraheli hajutamine ja deagglomeratsioon
Tahkete ainete dispersioon ja deagglomeratsioon vedelikeks on sondi tüüpi ultrasonikaatorite oluline rakendus. Ultraheli / akustiline kavitatsioon tekitab kõrge nihkejõu, mis purustab osakeste aglomeraadid üksikuteks, üksikuteks hajutatud osakesteks. Pulbrite segamine vedelikeks on tavaline samm erinevate toodete, näiteks värvide, lakkide, kosmeetikatoodete, toidu ja jookide või poleerimisvahendite valmistamisel. Üksikuid osakesi hoiavad koos erineva füüsikalise ja keemilise iseloomuga tõmbejõud, sealhulgas van-der-Waals-jõud ja vedeliku pindpinevus. Ultraheli ületab need atraktsioonijõud, et osakesi vedelas keskkonnas deagglomereerida ja hajutada. Vedelike pulbrite hajutamiseks ja deagglomeratsiooniks on suure intensiivsusega ultraheliuuring huvitav alternatiiv kõrgsurve homogenisaatoritele, kõrge nihkega segistitele, helmesveskitele või rootor-stator-segistitele.
Klõpsake siin, et lugeda rohkem ultraheli hajutamise ja deagglomeratsiooni kohta!
Ultraheli emulgeerimine
Suur hulk- ja tarbekaupu, nagu kosmeetikatooted ja nahakreemid, farmatseutilised salvid, lakid, värvid ja määrdeained ning kütused, põhinevad täielikult või osaliselt emulsioonidel. Emulsioonid on kahe või enama segunematu vedela faasi dispersioonid. Väga intensiivne ultraheli varustab piisavalt intensiivset nihet, et hajutada vedel faas (hajutatud faas) väikestes tilkades teises faasis (pidev faas). Dispergeerivas tsoonis põhjustavad implodeerivad kavitatsioonimullid ümbritsevas vedelikus intensiivseid lööklaineid ja põhjustavad suure vedeliku kiirusega (suure nihkega) vedelikujoade moodustumist. Ultraheli saab täpselt kohandada sihtemulsiooni suurusega, võimaldades seeläbi mikroemulsioonide ja nanoemulsioonide usaldusväärset tootmist.
Klõpsake siin, et lugeda rohkem ultraheli emulgeerimise kohta!
The UIP1000hdT on 1000 vatti võimas ultrasonikaator homogeniseerimiseks, jahvatamiseks ja ekstraheerimiseks.
Ultraheli märgfreesimine ja lihvimine
Ultraheli on tõhus vahend osakeste märgjahvatamiseks ja mikrolihvimiseks. Eriti superfine-suurusega läga valmistamiseks on ultrahelil palju eeliseid. See on parem kui traditsioonilised suuruse vähendamise seadmed, näiteks: kolloidveskid (nt kuulveskid, helmesveskid), ketasveskid või jugaveskid. Ultraheli võib töödelda kõrge kontsentratsiooniga ja kõrge viskoossusega suspensioone – vähendades seega töödeldavat mahtu. Loomulikult sobib ultraheli freesimine mikronisuuruste ja nano-suurusega materjalide, näiteks keraamika, pigmentide, baariumsulfaadi, kaltsiumkarbonaadi või metalloksiidide töötlemiseks. Eriti kui tegemist on nanomaterjalidega, paistab ultraheli jõudlus silma, kuna selle väga mõjuvad nihkejõud loovad ühtlaselt väikesed nanoosakesed.
Klõpsake siin, et lugeda rohkem ultraheli märgjahvatamise ja mikrolihvimise kohta!
Pihustuskuivatatud TiO2 enne ja pärast ultraheli freesimist
Ultraheli rakkude lagunemine ja lüüs
Ultraheliravi võib laguneda kiuline, tselluloosne materjal peenosakesteks ja murda rakustruktuuri seinad. See vabastab vedelikku rohkem rakusisest materjali, näiteks tärklist või suhkrut. Seda efekti saab kasutada orgaanilise aine kääritamiseks, seedimiseks ja muudeks muundamisprotsessideks. Pärast jahvatamist ja jahvatamist muudab ultraheliuuring rohkem rakusisest materjali, nt tärklist, samuti rakuseina prahti, mis on kättesaadavad ensüümidele, mis muudavad tärklise suhkruteks. Samuti suurendab see veeldamise või sahharifitseerimise ajal ensüümidega kokkupuutuvat pinda. See suurendab tavaliselt pärmi kääritamise ja muude muundamisprotsesside kiirust ja saagist, näiteks selleks, et suurendada etanooli tootmist biomassist.
Klõpsake siin, et lugeda rohkem rakustruktuuride ultraheli lagunemise kohta!
botaaniliste valmististe ultraheli ekstraheerimine
Rakkudes ja subtsellulaarsetes osakestes säilitatavate bioaktiivsete ühendite ekstraheerimine on laialdaselt kasutatav suure intensiivsusega ultraheli rakendus. Ultraheli ekstraheerimist kasutatakse sekundaarsete metaboliitide (nt polüfenoolid), polüsahhariidide, valkude, eeterlike õlide ja muude toimeainete eraldamiseks taimede ja seente rakumaatriksist. Sobib orgaaniliste ühendite vee- ja lahustiekstraktsiooniks, ultrahelitöötlus parandab oluliselt taimedes või seemnetes sisalduvate botaaniliste preparaatide saagikust. Ultraheli ekstraheerimist kasutatakse ravimite, toitainete / toidulisandite, lõhnaainete ja bioloogiliste lisandite tootmiseks. Ultraheli on roheline ekstraheerimistehnika, mida kasutatakse ka bioaktiivsete komponentide ekstraheerimiseks biorafineerimistehastes, nt vabastada väärtuslikke ühendeid tööstusprotsessides moodustunud mittekasutatavatest kõrvalsaaduste voogudest. Ultraheli on väga tõhus tehnoloogia botaaniliseks ekstraheerimiseks laboris ja tootmismahus.
Klõpsa siia, et saada lisateavet ultraheli ekstraheerimise kohta!
Ultraheli reaktor 16 000 vatti ultraheli täiustatud vedeliku töötlemiseks.
Ultraheli sonokeemiline rakendamine
Sonochemistry on ultraheli rakendamine keemilistele reaktsioonidele ja protsessidele. Vedelikes sonokeemilisi mõjusid põhjustav mehhanism on akustilise kavitatsiooni nähtus. Keemiliste reaktsioonide ja protsesside sonokeemilised mõjud hõlmavad reaktsiooni kiiruse või väljundi suurenemist, tõhusamat energiatarbimist, faasiülekande katalüsaatorite jõudluse parandamist, metallide ja tahkete ainete aktiveerimist või reaktiivide või katalüsaatorite reaktiivsuse suurenemist.
Klõpsake siin, et lugeda rohkem ultraheli sonokeemiliste mõjude kohta!
Õli ultraheli ümberesterdamine biodiislikütuseks
Ultraheli suurendab taimeõlide ja loomsete rasvade ümberesterdamise keemilise reaktsiooni kiirust ja saagist biodiislikütuseks. See võimaldab muuta tootmist partii töötlemiselt pidevale voo töötlemisele ning vähendab investeerimis- ja tegevuskulusid. Ultraheli biodiisli tootmise üks peamisi eeliseid on vanaõlide, näiteks kasutatud toiduõlide ja muude halva kvaliteediga õliallikate kasutamine. Ultraheli ümberesterdamine võib muuta isegi madala kvaliteediga lähteaine kvaliteetseks biodiislikütuseks (rasvhappe metüülester / FAME). Biodiislikütuse tootmine taimeõlidest või loomsetest rasvadest hõlmab rasvhapete alusekatalüüsitud ümberesterdamist metanooli või etanooliga, et saada vastavad metüülestrid või etüülestrid. Ultraheli abil on võimalik saavutada biodiisli saagis, mis ületab 99%. Ultraheli vähendab oluliselt töötlemisaega ja eraldusaega.
Klõpsake siin, et lugeda lisateavet õli ultraheli abil ümberesterdamise kohta biodiislikütuseks!
Vedelike ultraheli degaseerimine ja õhutamine
Vedelike degaseerimine on sondi tüüpi ultrasonikaatorite teine oluline rakendus. Ultraheli vibratsioon ja kavitatsioon põhjustavad lahustunud gaaside koalestsentsi vedelikus. Kui minutilised gaasimullid ühinevad, moodustavad nad seeläbi suuremad mullid, mis hõljuvad sealt kiiresti vedeliku pealispinnale, neid saab eemaldada. Seega võib ultraheli degaseerimine ja õhutus vähendada lahustunud gaasi taset alla loodusliku tasakaalu taseme.
Klõpsake siin, et lugeda rohkem vedelike ultraheli degaseerimise kohta!
Ultraheli traat, kaabel ja ribade puhastamine
Ultraheli puhastamine on keskkonnasõbralik alternatiiv pidevate materjalide, näiteks traadi ja kaabli, lindi või torude puhastamiseks. Võimas ultraheli kavitatsiooni mõju eemaldab materjali pinnalt määrimisjäägid nagu õli või rasv, seebid, stearaadid või tolm. Hielscher Ultrasonics pakub erinevaid ultraheli süsteeme pidevate profiilide inline puhastamiseks.
Klõpsake siin, et saada lisateavet pidevate profiilide ultraheli puhastamise kohta!
Võta meiega ühendust! / Küsi meilt!
Mis teeb ultrahelitöötlusest suurepärase töötlemismeetodi?
Sonikatsioon või kõrgsageduslike helilainete kasutamine vedelike segamiseks on tõhus töötlemismeetod mitmel põhjusel. Siin on mõned põhjused, miks ultrahelitöötlus suure intensiivsusega ja madala sagedusega umbes 20 kHz on eriti mõjus ja kasulik vedelike ja läga töötlemiseks:
- Kavitatsioon: Üks ultrahelitöötluse peamisi mehhanisme on väikeste mullide loomine ja kokkuvarisemine, nähtus, mida nimetatakse kavitatsiooniks. 20 kHz juures on helilained just õigel sagedusel, et mullid tõhusalt luua ja kokku variseda. Nende mullide kokkuvarisemine tekitab kõrge energiaga lööklaineid, mis võivad lagundada osakesi ja häirida rakke ultraheliga töödeldavas vedelikus.
- Võnkumine ja vibratsioon: Lisaks genereeritud akustilisele kavitatsioonile tekitab ultraheli sondi võnkumine vedelikus täiendavat segamist ja segamist, soodustades seeläbi massiülekannet ja / või degaseerimist.
- Tungimist: Helilained sagedusel 20kHz on suhteliselt pika lainepikkusega, mis võimaldab neil tungida sügavale vedelikesse. Ultraheli kavitatsioon on ultraheli sondi ümbruses ilmnev lokaliseeriv nähtus. Suureneva kaugusega sondist väheneb kavitatsiooni intensiivsus. Kuid ultrahelitöötlus 20 kHz juures võib tõhusalt ravida suuremaid vedelikukoguseid, võrreldes kõrgema sagedusega ultrahelitöötlusega, millel on lühemad lainepikkused ja mis võib olla oma läbitungimissügavuses piiratum.
- Madal energiatarbimine: Sonikatsiooni saab teostada suhteliselt madala energiatarbimisega võrreldes teiste töötlemismeetoditega, nagu kõrgsurve homogeniseerimine või mehaaniline segamine. See muudab selle energiatõhusamaks ja kulutõhusamaks meetodiks vedelike töötlemiseks.
- Lineaarne mastaapsus: Ultraheli protsesse saab skaleerida täiesti lineaarselt suurematele või väiksematele mahtudele. See muudab tootmisprotsessi kohandamise tootmises usaldusväärseks, kuna toote kvaliteeti saab hoida pidevalt stabiilsena.
- Partii ja tekstisisene voog: Ultraheli saab läbi viia partiina või pidevate tekstisiseste protsessidena. Partiide ultraheliga töötlemiseks sisestatakse ultraheli sond avatud anumasse või suletud partii reaktorisse. Pideva vooluvoo ultraheliga töötlemiseks on paigaldatud ultraheli voolurakk. Vedel keskkond läbib sonotrode (ultraheli vibreeriv varras) ühe läbimise või retsirkulatsiooni teel ning on ultraheli lainete suhtes väga ühtlane ja tõhus.
Üldiselt muudavad kavitatsiooni intensiivsed jõud, madal energiatarbimine ja protsessi mastaapsus madala sagedusega, suure võimsusega ultrahelitöötluse tõhusaks meetodiks vedelike töötlemiseks.
Tööpõhimõte ja ultraheli töötlemise kasutamine
Ultraheli on kaubanduslik töötlemistehnoloogia, mille on vastu võtnud paljud tööstusharud suuremahuliseks tootmiseks. Kõrge töökindlus ja mastaapsus, samuti madalad hoolduskulud ja kõrge energiatõhusus muudavad ultraheli protsessorid heaks alternatiiviks traditsioonilistele vedelike töötlemise seadmetele. Ultraheli pakub täiendavaid põnevaid võimalusi: Kavitatsioon – põhiline ultraheli efekt – annab ainulaadseid tulemusi bioloogilistes, keemilistes ja füüsikalistes protsessides. Näiteks ultraheli dispersioon ja emulgeerimine toodavad kergesti stabiilseid nanosuuruses preparaate. Ka botaanilise ekstraheerimise valdkonnas on ultraheli mittetermiline tehnika bioaktiivsete ühendite isoleerimiseks.
Kuigi madala intensiivsusega või kõrgsageduslikku ultraheli kasutatakse peamiselt analüüsiks, mittepurustavaks testimiseks ja pildistamiseks, kasutatakse vedelike ja pastade töötlemiseks suure intensiivsusega ultraheli, kus intensiivseid ultraheli laineid kasutatakse segamiseks, emulgeerimiseks, hajutamiseks ja deagglomeratsiooniks, rakkude lagunemiseks või ensüümide deaktiveerimiseks. Suure intensiivsusega vedelike ultraheliga töötlemisel levivad helilained vedela keskkonna kaudu. Selle tulemuseks on vahelduvad kõrgsurve (kokkusurumine) ja madalrõhu (haruldane) tsüklid, mille kiirused sõltuvad sagedusest. Madala rõhu tsükli ajal tekitavad suure intensiivsusega ultraheli lained vedelikus väikesed vaakummullid või tühimikud. Kui mullid saavutavad mahu, mille juures nad ei suuda enam energiat absorbeerida, varisevad nad kõrgsurvetsükli ajal ägedalt kokku. Seda nähtust nimetatakse kavitatsiooniks. Implosiooni ajal saavutatakse kohapeal väga kõrged temperatuurid (umbes 5,000K) ja rõhud (umbes 2,000atm). Kavitatsioonimulli implosioon põhjustab ka vedelikujoad kiirusega kuni 280 meetrit sekundis.
Ultraheli kavitatsioon vedelikes võib põhjustada kiiret ja täielikku degaseerimist; algatada erinevaid keemilisi reaktsioone, tekitades vabu keemilisi ioone (radikaale); kiirendada keemilisi reaktsioone, hõlbustades reaktiivide segamist; suurendada polümerisatsiooni- ja depolümerisatsioonireaktsioone agregaatide dispergeerimisega või keemiliste sidemete püsiva purustamisega polümeersetes ahelates; suurendada emulgeerimise määrasid; parandada difusioonimäärasid; toota väga kontsentreeritud emulsioone või ühtlaseid dispersioone mikronisuurustest või nanosuurustest materjalidest; aidata kaasa selliste ainete nagu ensüümide ekstraheerimisele looma-, taime-, pärmi- või bakterirakkudest; eemaldada viirused nakatunud koest; ning lõpuks erodeerida ja lagundada vastuvõtlikke osakesi, sealhulgas mikroorganisme. (vrd Kuldiloke 2002)
Suure intensiivsusega ultraheli tekitab vägivaldset agitatsiooni madala viskoossusega vedelikes, mida saab kasutada materjalide hajutamiseks vedelikes. (vrd Ensminger, 1988) Vedelate/tahkete või gaasiliste/tahkete liideste korral võib kavitatsioonimullide asümmeetriline implosioon põhjustada äärmuslikke turbulentsi, mis vähendavad difusiooni piirikihti, suurendavad konvektsioonimassi ülekannet ja kiirendavad märkimisväärselt difusiooni süsteemides, kus tavaline segamine pole võimalik. (vrd Nyborg, 1965)
Võimas ultraheli kavitatsioon Hielscher Cascatrode'is
Kirjandus
- 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).
Ultraheli reaktor 4x 2000 vatti sondidega (8kW) sonokeemiliste protsesside jaoks.
Hielscher Ultrasonics toodab suure jõudlusega ultraheli homogenisaatoreid alates Lab kuni tööstuslik suurus.