Ultraäänihajotus: kostutus, liuotus ja dispergointi

Ultraääni-integraattoreita käytetään laajasti hiukkasten ja jauheiden kostuttamiseen, dispergointiin tai liuottamiseen nesteisiin. Suorituskykyiset ultraäänilaitteet tuottavat voimakkaita leikkausvoimia, jotka rikkovat ja murskaavat aggregaatteja, agglomeraatteja ja primäärihiukkasia mikroskooppiseen kokoon tai nanokokoon. Hiukkasten tasainen käsittely akustisessa kavitaatiokentässä tuottaa kapean hiukkaskokojakauman ja tasaisen hiukkaspinnan.

Ultraäänihajottimet ja niiden käyttökohteet

Ultraäänihajottimet tuottavat voimakkaita leikkausvoimia, jotka kohdistavat kiinteisiin aineisiin, kuten hiukkasiin, kiteisiin ja kuituihin, tarvittavan vaikutuksen niiden hajottamiseksi ja pienentämiseksi tavoitekokoon, esimerkiksi mikrometri- tai nanokokoon. Verrattuna vaihtoehtoisiin hajotusmenetelmiin, kuten voimakkaan leikkauksen teräsekoittimiin, korkeapainehomogenisaattoreihin, helmimyllyihin ja mikrofluidisaattoreihin, ultraäänihajottimet tarjoavat joitakin merkittäviä etuja.

Ultraäänihajottimien edut

• Voimakas kavitaatio ja leikkaus
• Hiukkasten tasainen käsittely
• Suuret kiintoainepitoisuudet
• Ei suuttimia / ei tukkeutumista
• Ei tarvetta jauhatuskappaleille (eli helmille)
• Lineaarinen skaalattavuus
• Helppo ja turvallinen käyttö
• Helppo puhdistaa
• Aikaa ja energiaa säästävä

 

Anturityyppisten ultraäänihajottimien toimintaperiaate perustuu akustisen kavitaation synnyttämiseen. Ultraäänianturin kautta prosessiväliaineeseen (eli nesteeseen tai lietteeseen) johdetaan voimakkaita ultraääniaaltoja. Ultraääniaallot kulkevat nesteen läpi ja synnyttävät siihen vuorottelevia korkean ja matalan paineen jaksoja. Matalan paineen jaksojen aikana syntyy pieniä tyhjiökuplia, niin kutsuttuja kavitaatiokuplia. Nämä kavitaatiokuplat kasvavat useiden painejaksojen ajan, kunnes ne saavuttavat koon, jossa ne eivät enää pysty absorboimaan energiaa. Tässä vaiheessa kavitaatiokuplat luhistuvat voimakkaasti ja synnyttävät paikallisesti äärimmäisiä olosuhteita, kuten erittäin korkeita lämpötiloja ja paineita, äärimmäisiä lämpötila- ja paine-eroja (suurten kuumenemis- ja jäähtymisnopeuksien sekä painevaihteluiden vuoksi), mikroturbulenssia ja nestevirtauksia, joiden nopeus on jopa 180m/s. Nämä olosuhteet vaikuttavat merkittävästi mekaanisesti väliaineen hiukkasiin, sillä nopeat nestevirtaukset kiihdyttävät väliaineen hiukkasia niin, että ne törmäävät toisiinsa. Hiukkasten välisten törmäysten seurauksena kiinteä aine (esimerkiksi hiukkaset, kuidut ja solut) kuluu, särkyy ja pirstoutuu mikrometri- ja nanokokoisiksi osiksi.
Ultraäänikäsittelyn synnyttämä voimakas turbulenssi lisää aineensiirtoa faasien välillä ja edistää siten jauheiden liukenemista tai heterogeenisiä kemiallisia reaktioita. Tämän vuoksi ultraäänihajottimet ovat ensisijainen väline esimerkiksi jauhatuksen, dispergoinnin, emulgoinnin ja liuotuksen tehostamiseen.

Lue lisää kemiallisten reaktioiden tehostamisesta ultraäänellä (sonokemia)!

Ultraäänihajottimien käyttökohteet

• Jauhatus ja hienonnus
• Deagglomerointi ja dispergointi
• Emulgointi
• Jauheiden liuotus
• Aineensiirron parantaminen
• Sonokemialliset reaktiot

Ultraäänihajottimet hiukkaskoon pienentämiseen

Ultraäänihajottimia käytetään hiukkaskoon pienentämiseen ja hiukkasten jakautumiseen riippumatta siitä, tarkoitetaanko tällä primäärihiukkasten varsinaista hienontamista (jota kutsutaan jauhatukseksi) vai agglomeraattien hajottamista (jota kutsutaan deagglomeroinniksi / dispergoinniksi).

Ultraäänihajottimet jauhatukseen ja hienonnukseen

Ultraäänellä synnytetty kavitaatio tuottaa voimakkaita leikkausvoimia ja niihin liittyviä hiukkasten välisiä törmäyksiä. Lietteen kiintoaineet toimivat jauhatuskappaleina (samoin kuin helmet helmimyllyssä): kavitaation aiheuttamat nestevirtaukset kiihdyttävät niitä ja saavuttavat helposti jopa 180m/s nopeuden. Kun hiukkaset törmäävät toisiinsa näin valtavalla nopeudella, ne rikkoutuvat ja murskautuvat mikrometri- ja nanokokoisiksi palasiksi. Ultraäänihajottimet voivat rikkoa jopa primäärihiukkasia. Ultraäänivirtauskennoreaktorit varmistavat kaikkien hiukkasten tasaisen käsittelyn, joten ultraäänijauhatus tuottaa kapean hiukkaskokojakauman.
Napsauta tästä ja lue lisää ultraäänijauhatuksesta!

Ultraäänihajottimet deagglomerointiin ja dispergointiin

Ultraääniprosessin parametreja voidaan säätää erittäin tarkasti, joten ultraäänihajottimilla voidaan jauhaa primäärihiukkasia käytettäessä suuria amplitudeja ja korotettua painetta. Toisaalta ultraäänihajotusjärjestelmiä voidaan käyttää myös pienemmillä amplitudeilla ja lievemmissä olosuhteissa, jolloin hiukkasten rakenne ja pinta säilyvät ehjinä, mutta agglomeraatit hajoavat ja yksittäiset hiukkaset jakautuvat tasaisesti lietteeseen.
Napsauta tästä ja lue lisää ultraäänideagglomeroinnista ja -dispergoinnista!

Pyrogeenisen piidioksidin ultraäänidispergointi: Hielscher-ultraäänihomogenisaattori UP400S dispergoi piidioksidijauheen nopeasti ja tehokkaasti yksittäisiksi nanohiukkasiksi.

Ultraäänihajottimet emulgointiin

Kun kahta toisiinsa sekoittumatonta nestettä (esimerkiksi vettä ja öljyä) käsitellään ultraäänellä, ultraäänikavitaatio hajottaa pisarat – näin syntyy näiden kahden sekoittumattoman faasin erittäin pieniä pisaroita, jotka sitten sekoitetaan keskenään. Koska ultraäänihajottimet tuottavat helposti nanokokoisia pisaroita, stabiloidut ultraääniemulsiot ovat pitkäaikaisesti stabiileja ja ulkonäöltään kirkkaita ja läpinäkyviä.
Napsauta tästä ja lue lisää ultraääninanoemulgoinnista!

Ultraäänihajottimet liuotukseen

Ultraäänihajottimia käytetään jauheiden ja tablettien liuottamiseen nopealla, helpolla ja turvallisella menetelmällä. Ultraäänellä synnytetty kavitaatio kuluttaa kiinteiden aineiden pintaa ja kuljettaa irronneet palaset nesteeseen, jolloin muodostuu homogeeninen liuos.
Lääketeollisuudessa tablettien liuottaminen on päivittäinen tehtävä esimerkiksi analyyttisiä tarkoituksia varten. Kun tabletit altistetaan vesipitoiselle ympäristölle, tabletti liukenee hitaasti ja prosessi vie hyvin paljon aikaa. Tavallisen sekoittimen tai teräsekoittimen käyttökin jättää tablettien täydellisen liukenemisen aikaa vieväksi. Ultraäänikavitaatio ja sen poikkeuksellisen voimakkaat leikkausvoimat irrottavat hiukkaset tabletista ja kuljettavat ne laimennusnesteeseen, jolloin aineensiirto tabletin pinnan ja tuoreen, kyllästymättömän laimennusnesteen välillä jatkuu keskeytyksettä. Tämä tekee ultraääniliuotuksesta äärimmäisen nopean ja tehokkaan prosessin, joka auttaa nopeuttamaan lääkkeiden liukenemista.
Napsauta tästä ja lue lisää ultraääniliuotuksesta!

Liuottaminen on yksi monista teho-ultraäänen käyttökohteista. Video esittelee hyytelömakeisten nopeaa liuottamista veteen Hielscher UP200St -laitteella.

Miten mekaaninen hajotin toimii?

Laboratorion ultraäänihajottimet käyttävät samaa mekaanista periaatetta kuin teolliset hajottimet. Hajottavat sekoitusjärjestelmät hajottavat agglomeraatteja ja aggregaatteja, liuottavat kiinteää ainetta tai dispergoivat kiinteitä hiukkasia nesteseoksiin. Ultraäänihajotuksessa käytetään voimakasta ultraäänianturia eräsäiliössä tai prosessilinjaan asennetussa virtauskennoreaktorissa. Ultraäänihajottimen anturi (sonotrodi) värähtelee nesteessä erittäin suurella taajuudella ja synnyttää nesteeseen voimakkaan ultraäänikavitaation. Jokainen kavitaatiokuplan luhistuminen tuottaa voimakkaita leikkausvoimia, jotka rikkovat agglomeraatteja, aggregaatteja ja jopa primäärihiukkasia. Ultraäänikavitaatio tuottaa myös nopeita kavitaatiovirtauksia, joiden nopeus on jopa 1 000km/h. Kavitaation aiheuttamat nestesuihkut osuvat hiukkasagglomeraatteihin, rikkovat soluseinämiä, parantavat aineensiirtoa lietteessä ja dispergoivat kiintoaineet koko nestetilavuuteen. Ultraäänikavitaatiokentässä paineet vaihtelevat nopeasti ja toistuvasti tyhjiön ja jopa 1 000bar paineen välillä. Pyörivän sekoittimen, jossa on 4 sekoitusterää, olisi toimittava hämmästyttävällä 300 000 RPM:n nopeudella, jotta se saavuttaisi saman vuorottelevien painejaksojen taajuuden. Tavanomaiset pyörivät sekoittimet ja roottori-staattorisekoittimet eivät synnytä merkittävää määrää kavitaatiota nopeusrajoitustensa vuoksi.

Kiinnostaako nanopartikkelien bottom-up-synteesi? – Napsauta tästä ja lue lisää!

Laboratorion ultraäänihajottimet

Anturityyppiset ultraäänilaitteet ovat erittäin hyödyllisiä välineitä jokaisessa laboratoriossa. Ultraäänianturi (tunnetaan myös sonotrodina) on geometrialtaan yksinkertainen ja helposti puhdistettava titaanitanko, joka kytkee ultraäänivärähtelyt nesteeseen. Hielscher valmistaa ultraääniantureita ja kärkiä monissa eri ko’oissa. Laboratorion tavallisimpaan kiinteiden aineiden hajotukseen sopivat erittäin hyvin ultraäänianturit, joiden kärjen halkaisija on 3, 7, 14 tai 22mm. Saatavilla on myös muita anturikokoja ja mittatilauskokoisia ultraääniantureita. Laboratoriohajotukseen käytettävien tyypillisten ultraäänilaitteiden ultraääniteho on 100–400 wattia.

Teolliset ultraäänihajottimet

Hielscherin teolliset hajottimet ovat suuritehoisia ultraääniprosessoreita, jotka on suunniteltu suurten lietevirtojen jatkuvaan hajotukseen raskaassa käytössä. Nämä teolliset järjestelmät käsittelevät helposti suuria kiintoainepitoisuuksia. Teollisissa ultraääniantureissa on laippa, jonka avulla ne voidaan asentaa terässäiliöihin, lasireaktoreihin tai muoviastioihin missä tahansa asennossa. Ultraäänikäsittelyastian tai virtauskennon paineistaminen tehostaa akustista kavitaatiota ja siten ultraäänikäsittelyprosessia. Tyypillisten teollisten ultraäänihajotuslaitteiden ultraääniteho on 1 000–16 000 wattia sonotrodia kohti.

Toimialat, joilla ultraäänihajotusta käytetään laajasti:

• Kiintoaine-/nesteformulaatioiden dispergointi, liuotus ja sekoitus
• Materiaalitiede
• Näytteiden valmistelu ennen analyysiä
• Nanopartikkelisovellukset
• Hiukkasten funktionalisointi
• Faasinsiirtoreaktiot
• Kiteytys / saostus
• Elintarvikkeiden käsittely
• Paperiteollisuus
• Biomassan hajotus

Miten ostaa oikea ultraäänihajotin?

Hielscher Ultrasonics on suorituskykyisten ultraäänihajottimien valmistaja, jolla on pitkä kokemus. Laitteita käytetään hiukkasten dispergointiin ja rikkomiseen tai jauheiden liuottamiseen nesteisiin. Markkinajohtajana Hielscher suunnittelee, valmistaa ja toimittaa ultraäänihajottimia ja homogenisaattoreita laboratorio- ja pöytämalleista aina täyteen teolliseen mittakaavaan asti.

Autamme sinua vastaamaan seuraaviin kysymyksiin, jotta löydät käyttökohteeseesi ja tarpeisiisi sopivimman ultraäänihajottimen:

• Mikä on tavoiteltu käyttökohteesi?
• Mikä on tyypillinen käsiteltävä tilavuus?
• Mitkä ovat prosessin kriittiset tekijät?
• Mitkä laatustandardit on saavutettava?

Hyvin koulutettu ja kokenut henkilöstömme auttaa sinua kaikissa kysymyksissä ja prosessisi suunnittelussa. Hielscher Ultrasonics tarjoaa perusteellista neuvontaa ultraääniprosesseista auttaakseen asiakkaitamme löytämään optimaalisen ultraäänilaitteen. Hielscherin palvelu ei kuitenkaan pääty tähän: koulutamme asiakkaita joko heidän tiloissaan tai ultraääniprosessilaboratoriossamme ja teknisessä keskuksessamme tukeaksemme heitä prosessin kehittämisessä, optimoinnissa ja mittakaavan suurentamisessa.
Hielscher Ultrasonicsin teolliset ultraääniprosessorit tuottavat helposti erittäin suuria amplitudeja, joita tarvitaan kovien hiukkasten ja agglomeraattien rikkomiseen tai suuren kiintoainepitoisuuden lietteiden käsittelyyn. Hielscherin teollisia hajottimia voidaan käyttää jopa 200µm amplitudeilla jatkuvasti 24/7-käytössä. Vielä suurempia amplitudeja varten on saatavilla räätälöityjä ultraäänisonotrodeja. Muita lisävarusteita, kuten amplitudinvahvistimia, virtauskennoja, ultraäänikäsittelyreaktoreita ja täydellisiä kierrätysjärjestelmiä, on helposti saatavilla, ja niiden avulla ultraäänijärjestelmä voidaan määrittää prosessisi vaatimusten mukaiseksi.

Edistykselliset ultraäänihajottimet ja -liuottimet

Hielscher Ultrasonics keskittyy suorituskykyisiin hajottimiin, joiden käyttäjäystävällisyys on korkeinta tasoa ja jotka hyödyntävät uusimpia teknisiä edistysaskeleita. Tämä tarkoittaa, että Hielscherin laboratoriohajottimien standardit mukautuvat yhä enemmän teollisten koneiden älykkyyteen. Käyttäjä voi ohjata Hielscherin digitaalisia ultraäänilaitteita selaimen kautta etäohjauksella. Automaattinen tiedontallennusohjelmisto kirjoittaa kaikki tärkeät ultraääniparametrit, kuten nettotehon, kokonaistehon, amplitudin, lämpötilan, paineen, ajan ja päivämäärän, CSV-tiedostona sisäänrakennetulle SD-kortille. Lisäksi ultraäänihajotin voidaan ohjelmoida sammumaan automaattisesti määritetyn ajan tai tietyn energiamäärän syötön jälkeen, tai siihen voidaan ohjelmoida pulssittaisia ultraäänikäsittelytiloja. Liitettävät lämpötila- ja paineanturit mahdollistavat näytteen olosuhteiden tarkan seurannan. Koska lämpöherkkien materiaalien lämpötilan säätö on ratkaiseva tekijä prosessitulosten laadun kannalta, Hielscher tarjoaa erilaisia ratkaisuja prosessilämpötilan pitämiseen tavoitellulla lämpötila-alueella.
Hielscherin ultraäänilaitteiden edistykselliset toiminnot varmistavat korkeimman tason prosessinhallinnan, luotettavat ja toistettavat ultraäänikäsittelyn tulokset, käyttäjäystävällisyyden ja työskentelymukavuuden.
Hielscher Ultrasonicsin teolliset ultraääniprosessorit voivat tuottaa erittäin suuria amplitudeja. Jopa 200µm amplitudeja voidaan helposti käyttää jatkuvasti 24/7-käytössä. Vielä suurempia amplitudeja varten on saatavilla räätälöityjä ultraäänisonotrodeja. Mahdollisuus käyttää näin suuria amplitudeja antaa asiakkaillemme mahdollisuuden jauhaa primäärihiukkasia tehokkaasti nanokokoon. Hielscherin ultraäänilaitteiden kestävyys mahdollistaa 24/7-käytön raskaassa käytössä ja vaativissa ympäristöissä.
Lue lisää ultraääniliuotuksesta ja ultraääniliuottimista!

Laatua – valmistettu Saksassa

Perheen omistamana ja johtamana yrityksenä Hielscher on ylpeä ultraääniprosessoriensa korkeasta laadusta. Kaikki ultraäänilaitteet suunnitellaan, valmistetaan ja testataan päätoimipaikassamme Teltowissa lähellä Berliiniä Saksassa. Hielscherin ultraäänilaitteiden kestävyys mahdollistaa 24/7-käytön raskaassa käytössä ja vaativissa ympäristöissä.

Voit ostaa Hielscherin ultraäänihajottimia kaikissa eri ko’oissa, ja hintavalikoimasta löytyy budjettiisi sopiva edullinen ultraäänilaite. Hiukkasten hajotuksesta pienissä laboratorion näytepulloissa lietteiden jatkuvan virtauksen hajotukseen teollisessa tuotannossa – Hielscher Ultrasonicsilla on sinulle sopiva hajotin! Ota meihin yhteyttä – suosittelemme mielellämme sinulle sopivinta ultraäänilaitetta!
Alla oleva taulukko antaa suuntaa ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista: