Ultrasonics: rakendused ja protsessid
Ultraheli on mehaaniline töötlemismeetod, mis loob erakordselt intensiivse akustilise kavitatsiooni ja sellega seotud füüsilised jõud, nagu suured nihkejõud ja kõrgsurve diferentsiaalid. Neid ultraheli genereeritud jõude kasutatakse paljudes rakendustes, nagu segamine, homogeniseerimine, jahvatamine, dispersioon, emulgeerimine, ekstraheerimine ja sonokeemilised reaktsioonid.
Allpool leiate valiku kõige tüüpilisematest ultraheli rakendustest ja protsessidest.
Ultraheli homogeenimine
Ultraheli homogenisaatorid vähendavad vedelikus väikseid osakesi, et parandada ühtlust ja dispersiooni stabiilsust. Osakesed (dispergeerimisfaas) 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 mahtude jaoks alates 1,5 ml kuni umbes 4L. Ultraheli tööstuslikud seadmed võivad töödelda partiisid vahemikus 0,5 kuni umbes 2000L või voolukiirust 0,1L kuni 20 kuupmeetrit tunnis protsessi arendamisel ja kaubanduslikus tootmises.
Kliki siia, et lugeda ultraheli homogeenimist!
Ultraheli pritsimiseks ja Deagglomeration
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 värvi, laki, kosmeetikatoodete, toidu ja jookide või poleerimisvahendite valmistamisel. Üksikuid osakesi hoiavad koos erineva füüsikalise ja keemilise iseloomuga tõmbejõud, sealhulgas van-der-Waalsi jõud ja vedeliku pindpinevus. Ultraheli ületab need tõmbejõud, et deagglomereerida ja hajutada osakesi vedelas keskkonnas. Vedelike pulbrite hajutamiseks ja deagglomeratsiooniks on kõrge intensiivsusega ultraheliuuring huvitav alternatiiv kõrgsurve homogenisaatoritele, kõrge nihkega segistitele, helmeste veskitele või rootor-stator-segistitele.
Kliki siia, et lugeda ultraheli hajutamise ja deagglomeraadi kohta!
Ultraheli emulgeerimine
Lai valik- ja tarbekaupu, nagu kosmeetika 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 tagab piisavalt intensiivse nihke, et hajutada vedel faas (dispergeeritud faas) väikestes tilkades teises faasis (pidev faas). Dispergeerivas tsoonis põhjustavad implodeerivad kavitatsioonimullid ümbritsevas vedelikus intensiivseid lööklaineid ja põhjustavad suure vedeliku kiirusega (kõrge nihkega) vedelikujoa moodustumist. Ultraheli saab täpselt kohandada emulsiooni sihtsuurusega, võimaldades seeläbi mikroemulsioonide ja nanoemulsioonide usaldusväärset tootmist.
Kliki siia, et lugeda ultraheli emulgeerimise kohta!
The UIP1000hdT on 1000 vatti võimas ultrasonikaator homogeniseerimiseks, freesimiseks ja ekstraheerimiseks.
Ultraheli märg-freesimine ja lihvimine
Ultraheli on tõhus vahend osakeste märgfreesimiseks ja mikrolihvimiseks. Eriti superfine suurusega läga tootmiseks on ultrahelil palju eeliseid. See on parem kui traditsioonilised suuruse vähendamise seadmed, näiteks kolloidveskid (nt kuulveskid, helmeveskid), ketasveskid või reaktiivveskid. Ultraheli võib töödelda kõrge kontsentratsiooniga ja kõrge viskoossusega läga – vähendades seega töödeldavat mahtu. Loomulikult sobib ultraheli freesimine mikronisuuruste ja nanosuuruses materjalide, näiteks keraamika, pigmentide, baariumsulfaadi, kaltsiumkarbonaadi või metallioksiidide töötlemiseks. Eriti kui tegemist on nanomaterjalidega, paistab ultraheliuuring silma jõudlusega, kuna selle väga mõjuvad nihkejõud loovad ühtlaselt väikesed nanoosakesed.
Kliki siia, et lugeda rohkem ultraheli märg mise ja mikro-lihvimine!
Pihustuskuivatatud TiO2 enne ja pärast ultraheli freesimist
Ultraheli rakkude lagunemine ja lüüs
Ultraheli töötlemine võib laguneda kiuliseks, tselluloosimaterjaliks peenteks osakesteks ja purustada raku struktuuri seinad. See vabastab vedelikku rohkem rakusisest materjali, nagu tärklis või suhkur. 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 saadaval ensüümidele, mis muundavad tärklise suhkruteks. Samuti suurendab see veeldamise või sahharimise ajal ensüümidega kokkupuutumise pinda. See suurendab tavaliselt pärmi kääritamise ja muude muundamisprotsesside kiirust ja saagist, näiteks etanooli tootmise suurendamiseks biomassist.
Klõpsake siin, et lugeda rohkem rakukonstruktsioonide ultraheli lagunemist!
botaaniliste taimede ultraheli ekstraheerimine
Rakkudes ja subtsellulaarsetes osakestes salvestatud bioaktiivsete ühendite ekstraheerimine on suure intensiivsusega ultraheli laialdaselt kasutatav rakendus. Ultraheli ekstraheerimist kasutatakse sekundaarsete metaboliitide (nt polüfenoolide), polüsahhariidide, valkude, eeterlike õlide ja muude toimeainete eraldamiseks taimede ja seente rakulisest maatriksist. Sobib orgaaniliste ühendite vee- ja lahusti-ekstraheerimiseks, ultrahelitöötlus parandab oluliselt taimedes või seemnetes sisalduvate botaaniliste preparaatide saagist. Ultraheli ekstraheerimist kasutatakse ravimite, nutraceuticals / toidulisandite, lõhnaainete ja bioloogiliste lisandite tootmiseks. Ultraheli on roheline ekstraheerimistehnika, mida kasutatakse ka bioaktiivsete komponentide ekstraheerimiseks biorafineerimistehastes, nt vabastage väärtuslikke ühendeid tööstusprotsessides moodustunud mittekasutatavatest kõrvalsaaduste voogudest. Ultraheli on väga tõhus tehnoloogia botaaniliseks ekstraheerimiseks laboris ja tootmisskaalal.
Klõpsake siin, et saada lisateavet ultraheli ekstraheerimise kohta!
Ultraheli reaktor 16 000 vatti ultraheli täiustatud vedeliku töötlemiseks.
Ultraheli Sonochemical Application
Sonokeemia on ultraheli rakendamine keemilistele reaktsioonidele ja protsessidele. Vedelikes sonokeemilist mõju põhjustav mehhanism on akustilise kavitatsiooni nähtus. Keemiliste reaktsioonide ja protsesside sonokeemilised mõjud hõlmavad reaktsioonikiiruse või -väljundi suurenemist, tõhusamat energiakasutust, faasiülekande katalüsaatorite jõudluse parandamist, metallide ja tahkete ainete aktiveerimist või reaktiivide või katalüsaatorite reaktiivsuse suurenemist.
Kliki siia, et lugeda ultraheli sonocheemilistest mõjudest!
Õli ultraheli ümberesterifitseerimine biodiislikütusesse
Ultraheli suurendab taimeõlide ja loomsete rasvade ümberesterdamise keemilise reaktsiooni kiirust ja saagist biodiislikütuseks. See võimaldab muuta tootmist partii töötlemisest pidevaks voo töötlemiseks 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). Biodiisli tootmine taimeõlidest või loomsetest rasvadest hõlmab rasvhapete baaskatalüüsitud ümberesterdamist metanooli või etanooliga, et saada vastavad metüülestrid või etüülestrid. Ultraheli võib saavutada biodiisli saagise, mis ületab 99%. Ultraheli vähendab oluliselt töötlemisaega ja eraldumisaega.
Klõpsake siin, et lugeda rohkem biodiislit sisaldava õli ultraheli abil ümberesterdamise kohta!
Ultraheli degaseerimine ja vedelike õhutamine
Vedelike degaseerimine on veel üks oluline sondi tüüpi ultrasonikaatorite rakendus. Ultraheli vibratsioon ja kavitatsioon põhjustavad vedelikus lahustunud gaaside koalestsentsi. Kui minutilised gaasimullid ühinevad, moodustavad nad seeläbi suuremad mullid, mis hõljuvad kiiresti vedeliku pealispinnale, kust neid saab eemaldada. Seega võib ultraheli degaseerimine ja õhutamine vähendada lahustunud gaasi taset alla loodusliku tasakaalu taseme.
Klõpsake siin, et lugeda rohkem vedelike ultraheli degaseerumisest!
Ultraheli juhe, kaablite 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 meiega!
Ultraheli töötlemise tööpõhimõte ja 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 vedeliku töötlemise seadmetele. Ultraheli pakub täiendavaid põnevaid võimalusi: Kavitatsioon – põhiline ultraheli efekt – annab unikaalseid tulemusi bioloogilistes, keemilistes ja füüsikalistes protsessides. Näiteks ultraheli dispersioon ja emulgeerimine tekitavad kergesti stabiilseid nanosuuruses preparaate. Ka botaanilise ekstraheerimise valdkonnas on ultraheli mittetermiline tehnika bioaktiivsete ühendite isoleerimiseks.
Kuigi madala intensiivsusega või kõrgsageduslikku ultraheli kasutatakse peamiselt analüüsimiseks, mittepurustavaks testimiseks ja pildistamiseks, kasutatakse vedelike ja pastade töötlemiseks kõrge intensiivsusega ultraheli, kus intensiivseid ultraheli laineid kasutatakse segamiseks, emulgeerimiseks, hajutamiseks ja deagglomeratsiooniks, rakkude lagunemiseks või ensüümide deaktiveerimiseks. Vedelike ultraheliga töötlemisel suure intensiivsusega levivad helilained vedela keskkonna kaudu. Selle tulemuseks on vahelduvad kõrgsurve (kokkusurumine) ja madala rõhu (harvaesinev) tsüklid, mille kiirus sõltub 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 implosiooni tulemuseks on 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 reagentide segamist; suurendada polümerisatsiooni- ja depolümerisatsioonireaktsioone, dispergeerides täitematerjale või purustades püsivalt keemilisi sidemeid polümeersetes ahelates; suurendada emulgeerimise määra; parandada difusioonimäärasid; toota väga kontsentreeritud emulsioone või mikronisuuruste või nanosuuruses materjalide ühtlast dispersiooni; 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)
Kõrge intensiivsusega ultraheli tekitab madala viskoossusega vedelikes vägivaldset segamist, mida saab kasutada materjalide hajutamiseks vedelikes. (vrd Ensminger, 1988) Vedeliku/ tahke aine või gaasi / tahke liidese korral võib kavitatsioonimullide asümmeetriline implosioon põhjustada äärmuslikke turbulentsi, mis vähendavad difusiooni piirkihti, suurendavad konvektsiooni massiülekannet ja kiirendavad märkimisväärselt difusiooni süsteemides, kus tavaline segamine pole võimalik. (vrd Nyborg, 1965)
Ultraheli reaktor 4x 2000 vatt sondidega (8kW) sonokeemiliste protsesside jaoks.
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 Molec
- 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).
Hielscher Ultrasonics toodab suure jõudlusega ultraheli homogenisaatoreid Lab et tööstuslik suurus.