آلتراسونیک (فرا صوت): مصارف و فرآیندها
امواج فراصوت یک روش پردازش مکانیکی است که ایجاد حفره صوتی و نیروهای فیزیکی بسیار شدید است. بنابراین، اولتراسونیک برای کاربردهای متعددی مانند اختلاط، همگن سازی، فرز، پراکندگی، امولسیون سازی، استخراج، گاز زدایی و واکنش های سونوشیمیایی استفاده می شود.
در زیر، همه چیز را در مورد برنامه ها و فرآیندهای اولتراسونیک معمولی یاد خواهید گرفت.
هموژنیزه کردن آلتراسونیک
هموژنایزرهای اولتراسونیک ذرات کوچک را در مایع کاهش می دهند تا یکنواختی و ثبات پراکندگی را بهبود بخشند. ذرات (فاز پراکنده) می توانند جامدات یا قطرات مایع معلق در یک فاز مایع باشند. همگن سازی اولتراسونیک برای کاهش ذرات نرم و سخت بسیار کارآمد است. Hielscher تولید کننده ultrasonicators برای همگن سازی از هر حجم مایع و برای دسته ای و یا پردازش درون خطی. دستگاه های اولتراسونیک آزمایشگاهی را می توان برای حجم های 1.5 میلی لیتر تا تقریبا 4 لیتر استفاده کرد. دستگاه های صنعتی اولتراسونیک می توانند دسته هایی از 0.5 تا تقریبا 2000 لیتر یا سرعت جریان از 0.1 لیتر تا 20 متر مکعب در ساعت را در توسعه فرآیند و تولید تجاری پردازش کنند.
برای خواندن بیشتر در مورد هموژنیزه کردن آلتراسونیک اینجا را کلیک کنید
از هم پاشی آلتراسونیک و Deagglomeration
پراکندگی و deagglomeration از جامدات به مایعات یک کاربرد مهم از پروب نوع ultrasonicators است. کاویتاسیون اولتراسونیک / آکوستیک نیروهای برشی بالایی تولید می کند که آگلومراهای ذرات را به ذرات پراکنده منفرد و منفرد می شکند. مخلوط کردن پودرها به مایعات یک مرحله رایج در فرمولاسیون محصولات مختلف مانند رنگ، لاک الکل، محصولات آرایشی و بهداشتی، مواد غذایی و نوشیدنی یا رسانه های پولیش است. ذرات منفرد توسط نیروهای جاذبه با طبیعت فیزیکی و شیمیایی مختلف، از جمله نیروهای واندروال و کشش سطحی مایع در کنار هم نگه داشته می شوند. امواج فراصوت غلبه بر این نیروهای جاذبه به منظور deagglomerate و پراکنده ذرات در محیط های مایع. برای پراکنده شدن و deagglomeration پودر در مایعات، سونوگرافی با شدت بالا یک جایگزین جالب برای هموژنایزرهای فشار بالا، میکسرهای برشی بالا، آسیاب های مهره یا روتور-استاتور-میکسرها است.
dispersing and deagglomeration
امولسیون اولتراسونیک
طیف گسترده ای از محصولات متوسط و مصرفی، مانند لوازم آرایشی و لوسیون های پوستی، پمادهای دارویی، لاک ها، رنگ ها و روان کننده ها و سوخت ها به طور کامل یا جزئی بر اساس امولسیون ها هستند. امولسیون ها پراکندگی دو یا چند فاز مایع غیرقابل اختلاط هستند. اولتراسوند بسیار شدید برش شدید کافی را برای پراکنده کردن یک فاز مایع (فاز پراکنده) در قطرات کوچک در فاز دوم (فاز پیوسته) فراهم می کند. در ناحیه پراکندگی، انفجار حباب های کاویتاسیون باعث ایجاد امواج ضربه ای شدید در مایع اطراف می شود و منجر به تشکیل جت های مایع با سرعت مایع بالا (برش بالا) می شود. امواج فراصوت را می توان دقیقا به اندازه امولسیون هدف اقتباس کرد و در نتیجه امکان تولید قابل اعتماد میکرو امولسیون ها و نانو امولسیون ها را فراهم می کند.
برای مطالعه بیشتر در مورد امولسیون اولتراسونیک اینجا را کلیک کنید!
The UIP1000hdT 1000 وات قدرتمند ultrasonicator برای همگن سازی، فرز و برنامه های کاربردی استخراج است.
آسیاب مرطوب و آرد کردن آلتراسونیک
امواج فراصوت یک وسیله کارآمد برای فرز مرطوب و میکرو سنگ زنی ذرات است. به ویژه برای ساخت دوغاب های بسیار ریز، سونوگرافی مزایای زیادی دارد. این نسبت به تجهیزات سنتی کاهش اندازه ، مانند: آسیاب های کلوئیدی (به عنوان مثال آسیاب های گلوله ای ، آسیاب های مهره) ، آسیاب های دیسک یا آسیاب های جت برتری دارد. امواج فراصوت می تواند دوغاب با غلظت بالا و ویسکوزیته بالا را پردازش کند - بنابراین کاهش حجم پردازش می شود. البته فرز اولتراسونیک برای پردازش مواد به اندازه میکرون و نانو مانند سرامیک، رنگدانه، سولفات باریم، کربنات کلسیم یا اکسیدهای فلزی مناسب است. به خصوص هنگامی که آن را به نانو مواد می آید, ultrasonication برتری در عملکرد به عنوان نیروهای برشی بسیار تاثیرگذار آن ایجاد نانوذرات یکنواخت کوچک.
برای مطالعه بیشتر در مورد فرز مرطوب اولتراسونیک و میکرو سنگ زنی اینجا را کلیک کنید!
TiO2 خشک شده قبل و بعد از فرز اولتراسونیک
متلاشی و لیز سلول های اولتراسونیک
درمان اولتراسونیک می تواند مواد فیبری و سلولزی را به ذرات ریز متلاشی کند و دیواره های ساختار سلول را بشکند. این ماده بیشتر مواد داخل سلولی مانند نشاسته یا شکر را در مایع آزاد می کند. این اثر را می توان برای تخمیر ، هضم و سایر فرآیندهای تبدیل مواد آلی استفاده کرد. پس از فرز و سنگ زنی، امواج فراصوت باعث می شود بیشتر از مواد داخل سلولی به عنوان مثال نشاسته و همچنین بقایای دیواره سلولی در دسترس به آنزیم هایی که نشاسته را به قند تبدیل. همچنین سطح در معرض آنزیم ها در طول مایع سازی یا ساکاری را افزایش می دهد. این به طور معمول سرعت و عملکرد تخمیر مخمر و سایر فرآیندهای تبدیل را افزایش می دهد، به عنوان مثال برای افزایش تولید اتانول از زیست توده.
اینجا را کلیک کنید برای مطالعه بیشتر در مورد تجزیه اولتراسونیک از ساختارهای سلولی!
استخراج التراسونیک از گیاهان
استخراج ترکیبات فعال زیستی ذخیره شده در سلول ها و ذرات زیر سلولی کاربرد گسترده ای از سونوگرافی با شدت بالا است. استخراج التراسونیک استفاده می شود برای جداسازی متابولیت های ثانویه (به عنوان مثال، پلی فنول ها)، پلی ساکاریدها، پروتئین ها، روغنهای اساسی و سایر مواد تشکیل دهنده فعال از ماتریکس سلولی گیاهان و قارچ ها. مناسب برای آب و حلال استخراج ترکیبات آلی، فراصوت بهبود می بخشد عملکرد گیاهان موجود در گیاهان و یا دانه ها به طور قابل توجهی. استخراج التراسونیک برای تولید داروها، مواد مغذی / مکمل های غذایی، عطرها و مواد افزودنی بیولوژیکی استفاده می شود. اولتراسونیک یک روش استخراج سبز است که برای استخراج اجزای فعال زیستی در پالایشگاه های زیستی نیز استفاده می شود، به عنوان مثال ترکیبات ارزشمندی را از جریان های محصول غیر استفاده شده تشکیل شده در فرآیندهای صنعتی آزاد می کند. امواج فراصوت یک فناوری بسیار موثر برای استخراج گیاه شناسی در آزمایشگاه و مقیاس تولید است.
برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد استخراج اولتراسونیک اینجا را کلیک کنید!
راکتور اولتراسونیک با 16000 وات برای پردازش مایع التراسونیک افزایش یافته است.
کاربرد آواشیمی آلتراسونیک
سونوشیمی کاربرد سونوگرافی در واکنش ها و فرآیندهای شیمیایی است. مکانیسم ایجاد اثرات سونوشیمیایی در مایعات، پدیده کاویتاسیون صوتی است. اثرات سونوشیمیایی بر واکنش ها و فرآیندهای شیمیایی شامل افزایش سرعت یا خروجی واکنش، مصرف کارآمدتر انرژی، بهبود عملکرد کاتالیزورهای انتقال فاز، فعال سازی فلزات و جامدات یا افزایش واکنش پذیری معرف ها یا کاتالیزورها است.
برای مطالعه بیشتر در مورد اثرات سونوشیمیایی سونوگرافی اینجا را کلیک کنید!
تبادل استری آلتراسونیک نفت به بیودیزل
امواج فراصوت سرعت واکنش شیمیایی و عملکرد ترانس استریفیکاسیون روغن های گیاهی و چربی های حیوانی را به بیودیزل افزایش می دهد. این اجازه می دهد تا تولید را از پردازش دسته ای به پردازش جریان مداوم تغییر دهید و هزینه های سرمایه گذاری و عملیاتی را کاهش می دهد. یکی از مزایای عمده تولید بیودیزل اولتراسونیک استفاده از روغن های زائد مانند روغن های پخت و پز مصرف شده و سایر منابع روغن بی کیفیت است. ترانس استریفیکاسیون اولتراسونیک می تواند حتی مواد اولیه با کیفیت پایین را به بیودیزل با کیفیت بالا (اسید چرب متیل استر / FAME) تبدیل کند. تولید بیودیزل از روغن های گیاهی یا چربی های حیوانی ، شامل ترانس استریفیکاسیون اسیدهای چرب با متانول یا اتانول با کاتالیز پایه برای تولید متیل استرها یا اتیل استرهای مربوطه است. اولتراسونیک می تواند عملکرد بیودیزل بیش از 99٪ را به دست آورد. سونوگرافی زمان پردازش و زمان جداسازی را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد.
اینجا را کلیک کنید برای مطالعه بیشتر در مورد ترانس استریفیکاسیون با کمک التراسونیک نفت به بیودیزل!
گاز زدایی اولتراسونیک و هوادهی مایعات
گاززدایی از مایعات یکی دیگر از کاربردهای مهم از سونوگرافی نوع پروب است. ارتعاشات اولتراسونیک و کاویتاسیون باعث ادغام گازهای محلول در یک مایع می شود. همانطور که حباب های گاز دقیقه ای به هم می پیوندند، در نتیجه حباب های بزرگتری را تشکیل می دهند که به سرعت به سطح بالایی مایع شناور می شوند، از آنجا می توان آنها را حذف کرد. بنابراین، گاززدایی و هوادهی اولتراسونیک می تواند سطح گاز محلول را در زیر سطح تعادل طبیعی کاهش دهد.
برای مطالعه بیشتر در مورد گاززدایی اولتراسونیک مایعات اینجا را کلیک کنید!
تمیز کردن آلتراسونیک سیم، کابل و نوار
تمیز کردن اولتراسونیک یک جایگزین سازگار با محیط زیست برای تمیز کردن مواد پیوسته مانند سیم و کابل، نوار یا لوله است. اثر حفره اولتراسونیک قدرتمند بقایای روانکاری مانند روغن یا گریس، صابون، استئارات یا گرد و غبار را از سطح مواد حذف می کند. Hielscher مافوق صوت ارائه می دهد سیستم های مافوق صوت مختلف برای تمیز کردن درون خطی از پروفیل های مداوم.
برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد تمیز کردن اولتراسونیک پروفیل های پیوسته اینجا را کلیک کنید!
تماس با ما! / از ما بپرسید!
چه چیزی باعث می شود فراصوت یک روش پردازش برتر?
فراصوت یا استفاده از امواج صوتی با فرکانس بالا برای هم زدن مایعات، به دلایل مختلفی یک روش پردازش کارآمد است. در اینجا چند دلیل وجود دارد که چرا فراصوت در شدت بالا و فرکانس پایین تقریبا 20kHz است به خصوص برای پردازش مایعات و دوغاب تاثیرگذار و سودمند:
- کاویتاسیون: یکی از مکانیسم های اصلی فراصوت ایجاد و فروپاشی حباب های کوچک است ، پدیده ای به نام کاویتاسیون. در 20 کیلوهرتز، امواج صوتی دقیقا در فرکانس مناسب برای ایجاد و فروپاشی حباب ها به طور موثر هستند. فروپاشی این حباب ها موج های شوک با انرژی بالا تولید می کند که می تواند ذرات را تجزیه کرده و سلول های مایع در حال فراصوت را مختل کند.
- نوسان و لرزش: علاوه بر حفره صوتی تولید شده، نوسان پروب اولتراسونیک باعث ایجاد تحریک و اختلاط اضافی در مایع می شود و در نتیجه انتقال جرم و / یا گاز زدایی را ترویج می کند.
- نفوذ: امواج صوتی در 20 کیلوهرتز دارای طول موج نسبتا طولانی هستند که به آنها اجازه می دهد تا عمیقا به مایعات نفوذ کنند. حفره اولتراسونیک یک پدیده موضعی است که در اطراف پروب اولتراسونیک ظاهر می شود. با افزایش فاصله تا کاوشگر، شدت کاویتاسیون کاهش می یابد. با این حال، فراصوت در 20kHz می تواند به طور موثر درمان حجم بزرگتر از مایع، در مقایسه با فراصوت فرکانس بالاتر است که طول موج های کوتاه تر و ممکن است محدود تر در عمق نفوذ آن.
- مصرف انرژی کم: فراصوت را می توان با مصرف انرژی نسبتا کم در مقایسه با سایر روش های پردازش مانند همگن سازی با فشار بالا یا هم زدن مکانیکی انجام داد. این امر آن را به روشی کم مصرف تر و مقرون به صرفه تر برای پردازش مایعات تبدیل می کند.
- مقیاس پذیری خطی: فرآیندهای اولتراسونیک را می توان به طور کامل خطی به حجم بزرگتر یا کوچکتر مقیاس بندی کرد. این امر باعث می شود سازگاری های فرآیند در تولید قابل اعتماد باشد زیرا کیفیت محصول می تواند به طور مداوم پایدار نگه داشته شود.
- جریان دسته ای و درون خطی: فراصوت را می توان به عنوان دسته ای و یا به عنوان فرآیندهای درون خطی مداوم انجام. برای فراصوت دسته ها، پروب اولتراسونیک به رگ باز یا راکتور دسته ای بسته وارد می شود. برای فراصوت یک جریان جریان مداوم، یک سلول جریان اولتراسونیک نصب شده است. محیط مایع عبور sonotrode (میله ارتعاشی التراسونیک) در تک پاس و یا گردش مجدد و بسیار یکنواخت و کارآمد در معرض امواج اولتراسوند است.
به طور کلی، نیروهای شدید کاویتاسیون، مصرف انرژی کم، و مقیاس پذیری فرآیند فرکانس پایین، فراصوت با قدرت بالا را به یک روش کارآمد برای پردازش مایعات تبدیل می کند.
اصل کار و استفاده از پردازش اولتراسونیک
Ultrasonication یک فناوری پردازش تجاری است که توسط صنایع متعدد برای تولید در مقیاس بزرگ پذیرفته شده است. قابلیت اطمینان بالا و مقیاس پذیری و همچنین هزینه های نگهداری کم و بهره وری انرژی بالا، پردازنده های اولتراسونیک را جایگزین خوبی برای تجهیزات پردازش مایع سنتی می کند. سونوگرافی ارائه می دهد فرصت های هیجان انگیز اضافی: حفره - اثر اولتراسونیک اساسی - تولید نتایج منحصر به فرد در فرآیندهای بیولوژیکی، شیمیایی و فیزیکی. به عنوان مثال، پراکندگی و امولسیون اولتراسونیک به راحتی فرمولاسیون های نانو با اندازه پایدار را تولید می کند. همچنین در زمینه استخراج گیاه شناسی، سونوگرافی یک تکنیک غیر حرارتی برای جداسازی ترکیبات زیست فعال است.
در حالی که سونوگرافی با شدت کم یا فرکانس بالا عمدتا برای تجزیه و تحلیل ، آزمایش و تصویربرداری غیر مخرب استفاده می شود ، از سونوگرافی با شدت بالا برای پردازش مایعات و خمیرها استفاده می شود ، جایی که از امواج اولتراسوند شدید برای مخلوط کردن ، امولسیون کردن ، پراکندگی و deagglomeration ، تجزیه سلول یا غیرفعال سازی آنزیم استفاده می شود. هنگام فراصوت مایعات در شدت بالا، امواج صوتی از طریق رسانه های مایع منتشر می شوند. این منجر به چرخه های متناوب فشار بالا (فشرده سازی) و کم فشار (نادر) می شود که نرخ ها بسته به فرکانس است. در طول چرخه فشار کم، امواج اولتراسونیک با شدت بالا حباب های خلاء کوچک یا حفره هایی را در مایع ایجاد می کنند. هنگامی که حباب ها به حجمی می رسند که دیگر نمی توانند انرژی را جذب کنند، در طول یک چرخه فشار بالا به شدت فرو می ریزند. این پدیده کاویتاسیون نامیده می شود. در طول انفجار، دماهای بسیار بالا (تقریبا 5000 کلاین) و فشارها (تقریبا 2000 اتمسفر) به صورت محلی به دست می آیند. انفجار حباب کاویتاسیون همچنین منجر به جت های مایع با سرعت 280 متر در ثانیه می شود.
حفره اولتراسونیک در مایعات می تواند باعث گاز زدایی سریع و کامل شود. واکنش های شیمیایی مختلف را با تولید یون های شیمیایی آزاد (رادیکال ها) آغاز کنید. واکنش های شیمیایی را با تسهیل اختلاط واکنش دهنده ها تسریع کنید. افزایش واکنش های پلیمریزاسیون و دپلیمریزاسیون با پراکنده کردن سنگدانه ها یا شکستن دائمی پیوندهای شیمیایی در زنجیره های پلیمری. افزایش نرخ امولسیون شدن؛ بهبود نرخ انتشار; تولید امولسیون های بسیار غلیظ یا پراکندگی یکنواخت از مواد با اندازه میکرون یا نانو. کمک به استخراج موادی مانند آنزیم ها از سلول های حیوانی، گیاهی، مخمر یا باکتریایی. ویروس ها را از بافت آلوده حذف کنید. و در نهایت، ذرات حساس از جمله میکروارگانیسم ها را فرسایش داده و تجزیه کنید. (رجوع کنید به Kuldiloke 2002)
سونوگرافی با شدت بالا باعث ایجاد تحریک شدید در مایعات با ویسکوزیته پایین می شود که می تواند برای پراکنده کردن مواد در مایعات استفاده شود. (رجوع کنید به Ensminger، 1988) در رابط های مایع/جامد یا گاز/جامد، انفجار نامتقارن حباب های کاویتاسیون می تواند باعث تلاطم های شدید شود که لایه مرزی انتشار را کاهش می دهد، انتقال جرم همرفت را افزایش می دهد و به طور قابل توجهی انتشار را در سیستم هایی که اختلاط معمولی امکان پذیر نیست، تسریع می کند. (رجوع کنید به نیبورگ، 1965)
کاویتاسیون اولتراسونیک قدرتمند در Hielscher Cascatrode
ادبیات
- 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).
راکتور اولتراسونیک با پروب های 4x 2000 وات (8 کیلو وات) برای فرآیندهای سونوشیمیایی.
Hielscher مافوق صوت تولید کننده هموژنایزرهای مافوق صوت با کارایی بالا از ازمایشگاه ها تا اندازه صنعتی.