Ultrasonics: sovelluksia ja prosesseja

Ultrasonication on mekaaninen käsittelymenetelmä, joka luo poikkeuksellisen voimakkaan akustisen kavitaatio ja siihen liittyvät fyysiset voimat, kuten suuret leikkausvoimat ja suuret paine-erot. Näitä ultraäänellä tuotettuja voimia käytetään lukuisiin sovelluksiin, kuten sekoittamiseen, homogenisointiin, jyrsintään, dispersioon, emulgointiin, uuttamiseen ja sono-kemiallisiin reaktioihin.
Alla on valikoima tyypillisimpiä ultraäänisovelluksia ja -prosesseja.

Ultraääni homogenisointi

Ultraäänihomogenisaattorit vähentävät pieniä hiukkasia nesteessä tasaisuuden ja dispersiostabiilisuuden parantamiseksi. Hiukkaset (dispergointifaasi) voivat olla kiinteitä aineita tai nestemäisiä pisaroita, jotka on suspendoitu nestefaasiin. Ultraäänihomogenisointi on erittäin tehokasta pehmeiden ja kovien hiukkasten vähentämiseksi. Hielscher valmistaa ultraäänilaitteita minkä tahansa nestetilavuuden homogenisointiin ja erä- tai inline-käsittelyyn. Laboratorion ultraäänilaitteita voidaan käyttää tilavuuksiin 1,5 ml - noin 4 litraa. Ultraääniteollisuuslaitteet voivat käsitellä eriä 0,5 - n. 2000L tai virtausnopeuksia 0,1 L - 20 kuutiometriä tunnissa prosessikehityksessä ja kaupallisessa tuotannossa.
Klikkaa tästä lue lisää ultrasonic homogenisoinnista!

Ultronaarinen hajottaminen ja purkaminen

Kiinteiden aineiden dispersio ja deagglomeraatio nesteiksi on tärkeä koetintyyppisten ultraäänilaitteiden sovellus. Ultraääni / akustinen kavitaatio tuottaa suuria leikkausvoimia, jotka rikkovat hiukkasten agglomeraatit yksittäisiksi, yksittäisiksi dispergoituneiksi hiukkasiksi. Jauheiden sekoittaminen nesteisiin on yleinen askel erilaisten tuotteiden, kuten maalin, lakan, kosmeettisten valmisteiden, elintarvikkeiden ja juomien tai kiillotusaineiden, valmistuksessa. Yksittäisiä hiukkasia pitävät yhdessä erilaiset fysikaaliset ja kemialliset vetovoimat, mukaan lukien van-der-Waals-voimat ja nesteen pintajännitys. Ultrasonication voittaa nämä vetovoimat hiukkasten deagglomeroimiseksi ja hajottamiseksi nestemäisiin väliaineisiin. Jauheiden dispergointiin ja deagglomerointiin nesteissä korkean intensiteetin ultrasonication on mielenkiintoinen vaihtoehto korkeapainehomogenisaattoreille, korkean leikkaussekoittimen, helmimyllyjen tai roottori-staattorisekoittimien kanssa.
Klikkaa tästä saadaksesi lisätietoja ultrasuodatuksesta ja deagglomeraatiosta!

ultraääniemulgointi

Laaja valikoima väli- ja kuluttajatuotteita, kuten kosmetiikkaa ja ihovoiteita, lääkevoiteita, lakkoja, maaleja ja voiteluaineita sekä polttoaineita, perustuvat kokonaan tai osittain emulsioihin. Emulsiot ovat kahden tai useamman sekoittumattoman nestefaasin dispersioita. Erittäin intensiivinen ultraääni tarjoaa tarpeeksi voimakasta leikkausta nestefaasin (dispergoituneen faasin) hajottamiseksi pienissä pisaroissa toisessa vaiheessa (jatkuva vaihe). Dispergointivyöhykkeellä luhistuvat kavitaatiokuplat aiheuttavat intensiivisiä iskuaaltoja ympäröivässä nesteessä ja johtavat nestesuihkujen muodostumiseen, joilla on suuri nestenopeus (korkea leikkaus). Ultrasonication voidaan mukauttaa tarkasti kohdeemulsion kokoon, mikä mahdollistaa mikroemulsioiden ja nanoemulsioiden luotettavan tuotannon.
Klikkaa tästä saadaksesi lisätietoja ultraäänimulsifioinnista!

Ultrasonic-märkäjyrsintä ja hionta

Ultrasonication on tehokas keino hiukkasten märkäjyrsintään ja mikrojauhamiseen. Erityisesti superhienon kokoisten lietteiden valmistuksessa ultraäänellä on monia etuja. Se on parempi kuin perinteiset koonmuunnoslaitteet, kuten kolloidimyllyt (esim. kuulamyllyt, helmimyllyt), levymyllyt tai suihkumyllyt. Ultrasonication voi käsitellä korkean pitoisuuden ja korkean viskositeetin lietteitä - mikä vähentää käsiteltävää tilavuutta. Tietenkin ultraäänijyrsintä soveltuu mikronin kokoisten ja nanokokoisten materiaalien, kuten keramiikan, pigmenttien, bariumsulfaatin, kalsiumkarbonaatin tai metallioksidien, käsittelyyn. Varsinkin kun kyse on nanomateriaaleista, ultrasonication on erinomainen suorituskyvyssä, koska sen erittäin vaikuttavat leikkausvoimat luovat tasaisesti pieniä nanohiukkasia.
Klikkaa tästä saadaksesi lisätietoja ultrasonic märkäjaistamisesta ja mikrohiomasta!

Ruiskukuivattu TiO2 ennen ultraäänijyrsintää ja sen jälkeen

Ultraäänisolujen hajoaminen ja lyysi

Ultraäänikäsittely voi hajottaa kuituisen, selluloosamateriaalin pienhiukkasiksi ja rikkoa solurakenteen seinämät. Tämä vapauttaa enemmän solunsisäistä materiaalia, kuten tärkkelystä tai sokeria, nesteeseen. Tätä vaikutusta voidaan käyttää orgaanisen aineen käymiseen, ruoansulatukseen ja muihin muuntamisprosesseihin. Jyrsinnän ja jauhamisen jälkeen ultrasonication tuo enemmän solunsisäistä materiaalia, kuten tärkkelystä, sekä soluseinäjätteet tärkkelystä sokeriksi muuntavia entsyymejä varten. Se myös lisää entsyymeille altistunutta pinta-alaa nesteytys- tai sakkarisaatioiden aikana. Tämä lisää tyypillisesti hiivan käymisen ja muiden muuntoprosessien nopeutta ja tuottoa esimerkiksi biomassasta saatavan etanolin tuotannon vauhdittamiseksi.
Klikkaa tästä lue lisää solurakenteiden ultraäänen hajoamisesta!

kasvitieteellisten happojen ultraääniuutto

Soluihin ja subsellulaarisiin hiukkasiin varastoitujen bioaktiivisten yhdisteiden uuttaminen on laajalti käytetty korkean intensiteetin ultraäänen sovellus. Ultraääniuuttoa käytetään eristämään sekundaariset metaboliitit (esim. polyfenolit), polysakkaridit, proteiinit, eteeriset öljyt ja muut vaikuttavat aineet kasvien ja sienien solumatriisista. Orgaanisten yhdisteiden veden ja liuottimen uuttamiseen soveltuva sonikaatio parantaa merkittävästi kasvien tai siementen sisältämien kasvitieteellisten aineiden saantoa. Ultraääniuuttoa käytetään lääkkeiden, ravintoaineiden / ravintolisien, hajusteiden ja biologisten lisäaineiden valmistukseen. Ultrasonics on vihreä uuttotekniikka, jota käytetään myös bioaktiivisten komponenttien uuttamiseen biojalostamoissa, esimerkiksi vapauttamaan arvokkaita yhdisteitä teollisissa prosesseissa muodostuneista hyödyntämättömistä sivutuotevirroista. Ultrasonication on erittäin tehokas tekniikka kasvitieteelliseen uuttamiseen laboratorio- ja tuotantomittakaavassa.
Klikkaa tästä saadaksesi lisätietoja ultraääniuutosta!

Ultrakoristeen sonokemiallinen soveltaminen

Sonokemia on ultraäänen soveltaminen kemiallisiin reaktioihin ja prosesseihin. Mekanismi, joka aiheuttaa sonokemiallisia vaikutuksia nesteissä, on akustisen kavitaatioilmiö. Sonokemiallisia vaikutuksia kemiallisiin reaktioihin ja prosesseihin ovat reaktionopeuden tai -tuotoksen lisääntyminen, energiankäytön tehostaminen, faasinsiirtokatalyyttien suorituskyvyn parantaminen, metallien ja kiinteiden aineiden aktivointi tai reagenssien tai katalyyttien reaktiivisuuden lisääntyminen.
Klikkaa tästä saadaksesi lisätietoja ultrasoundin sonokemikaaleista vaikutuksista!

Ultraääni transesteröinti Oil Biodiesel

Ultrasonication lisää kasviöljyjen ja eläinrasvojen transesteröinnin kemiallista reaktionopeutta ja saantoa biodieseliksi. Tämä mahdollistaa tuotannon muuttamisen eräkäsittelystä jatkuvan virtauksen käsittelyyn ja vähentää investointi- ja käyttökustannuksia. Yksi ultraäänibio biodieselin valmistuksen tärkeimmistä eduista on jäteöljyjen, kuten käytettyjen ruokaöljyjen ja muiden huonolaatuisten öljylähteiden, käyttö. Ultraäänitransesteröinti voi muuntaa jopa huonolaatuisen raaka-aineen korkealaatuiseksi biodieseliksi (rasvahappometyyliesteri / FAME). Biodieselin valmistukseen kasviöljyistä tai eläinrasvoista kuuluu rasvahappojen emäskatalysoitu transesteröinti metanolilla tai etanolilla vastaavien metyyliestereiden tai etyyliestereiden saamiseksi. Ultrasonication voi saavuttaa biodieselin tuoton, joka on yli 99%. Ultraääni vähentää käsittelyaikaa ja erotusaikaa merkittävästi.
Klikkaa tästä lukea lisää ultrasonically assisted transesterification öljyn biodieselin!

Nesteiden ultraäänikaasunpoisto ja ilmastus

Nesteiden kaasunpoisto on toinen tärkeä tutkimustyyppisten ultraäänilaitteiden sovellus. Ultraäänivärähtelyt ja kavitaatio aiheuttavat liuenneiden kaasujen koalesenssin nesteessä. Kun pienet kaasukuplat yhdistyvät, ne muodostavat siten suurempia kuplia, jotka kelluvat nopeasti nesteen yläpinnalle sieltä, ne voidaan poistaa. Siten ultraäänikaasunpoisto ja deaeraatio voivat vähentää liuenneen kaasun tasoa luonnollisen tasapainotason alapuolella.
Klikkaa tästä saadaksesi lisätietoja nesteiden ultraäänenpoistosta!

Ultraäänikaapelien, kaapelien ja kaistaleiden puhdistus

Ultraäänipuhdistus on ympäristöystävällinen vaihtoehto jatkuvien materiaalien, kuten johdon ja kaapelin, teipin tai putkien, puhdistamiseen. Tehokkaan ultraäänikavitaation vaikutus poistaa voitelujäämät, kuten öljyn tai rasvan, saippuat, stearaatit tai pölyn, materiaalin pinnalta. Hielscher Ultrasonics tarjoaa erilaisia ultraäänijärjestelmiä jatkuvien profiilien inline-puhdistukseen.
Klikkaa tästä saadaksesi lisätietoja jatkuvien profiilien ultraäänipuhdistuksesta!

Ultraäänikäsittelyn toimintaperiaate ja käyttö

Ultrasonication on kaupallinen prosessointitekniikka, jonka lukuisat teollisuudenalat ovat ottaneet käyttöön laajamittaiseen tuotantoon. Korkea luotettavuus ja mittakaava sekä alhaiset ylläpitokustannukset ja korkea energiatehokkuus tekevät ultraääniprosessoreista hyvän vaihtoehdon perinteisille nesteenkäsittelylaitteille. Ultraääni tarjoaa lisää jännittäviä mahdollisuuksia: Kavitaatio - ultraäänivaikutus - tuottaa ainutlaatuisia tuloksia biologisissa, kemiallisissa ja fysikaalisissa prosesseissa. Esimerkiksi ultraäänidispersio ja emulgointi tuottavat helposti stabiileja nanokokoisia formulaatioita. Myös kasvitieteellisen uuttamisen alalla ultraääni on ei-lämpötekniikka bioaktiivisten yhdisteiden eristämiseksi.

Vaikka matalan intensiteetin tai korkean taajuuden ultraääntä käytetään pääasiassa analysointiin, rikkomattomaan testaukseen ja kuvantamiseen, korkean intensiteetin ultraääntä käytetään nesteiden ja tahnojen käsittelyyn, jossa voimakkaita ultraääniaaltoja käytetään sekoittamiseen, emulgointiin, dispergointiin, dispergointiin ja deagglomeraatioon, solujen hajoamiseen tai entsyymin deaktivointiin. Kun sonikoidaan nesteitä suurilla intensiteeteillä, ääniaallot leviävät nestemäisen väliaineen läpi. Tämä johtaa vuorotteleviin korkeapaine- (puristus) ja matalapaineisiin (harvinaisuus) sykleihin, joiden nopeudet riippuvat taajuudesta. Matalapainesyklin aikana korkean intensiteetin ultraääniaallot luovat nesteeseen pieniä tyhjiökuplia tai tyhjiä kohtia. Kun kuplat saavuttavat tilavuuden, jossa ne eivät enää pysty absorboimaan energiaa, ne romahtavat voimakkaasti korkeapainesyklin aikana. Tätä ilmiötä kutsutaan kavitaatioksi. Luhistumisen aikana saavutetaan paikallisesti erittäin korkeat lämpötilat (n. 5 000 K) ja paineet (n. 2 000atm). Kavitaatiokuplan luhistuminen johtaa myös nestesuihkuihin, joiden nopeus on jopa 280 metriä sekunnissa.

Ultraäänikavitaatio nesteissä voi aiheuttaa nopean ja täydellisen kaasunpoiston; aloittaa erilaisia kemiallisia reaktioita tuottamalla vapaita kemiallisia ioneja (radikaaleja); nopeuttaa kemiallisia reaktioita helpottamalla reagenssien sekoittumista; tehostaa polymerointi- ja depolymerointireaktioita dispergoimalla aggregaatteja tai rikkomalla pysyvästi kemialliset sidokset polymeeriketjuissa; lisätä emulgointinopeutta; parantaa diffuusionopeuksia; tuottaa erittäin väkeviä emulsioita tai yhtenäisiä dispersioita mikronin kokoisista tai nanokokoisista materiaaleista; auttaa sellaisten aineiden, kuten entsyymien, uuttamisessa eläin-, kasvi-, hiiva- tai bakteerisoluista; poista virukset tartunnan saaneesta kudoksesta; ja lopuksi syövyttää ja hajottaa herkkiä hiukkasia, mukaan lukien mikro-organismit. (vrt. Kuldiloke 2002)

Korkean intensiteetin ultraääni tuottaa väkivaltaista levottomuutta matalan viskositeetin nesteissä, joita voidaan käyttää materiaalien hajottamiseen nesteisiin. (vrt. Ensminger, 1988) Nesteen ja kiinteän tai kaasun ja kiinteän aineen rajapinnoissa kavitaatiokuplien epäsymmetrinen luhistuminen voi aiheuttaa äärimmäisiä turbulensseja, jotka vähentävät diffuusiorajakerrosta, lisäävät konvektiomassan siirtoa ja nopeuttavat huomattavasti diffuusiota järjestelmissä, joissa tavallinen sekoittaminen ei ole mahdollista. (vrt. Nyborg, 1965)