Nesteiden, lietteiden ja kemiallisten reaktioiden ultraäänikäsittely

Ultraäänikäsittely on mekaaninen käsittelymenetelmä, joka synnyttää akustista kavitaatiota ja erittäin voimakkaita fysikaalisia voimia. Siksi ultraääntä käytetään lukuisissa sovelluksissa, kuten sekoituksessa, homogenoinnissa, jauhatuksessa, dispergoinnissa, emulgoinnissa, uutossa, kaasunpoistossa ja sonokemiallisissa reaktioissa.

Etsi sovelluksesi alla olevasta taulukosta, napsauta linkkiä ja siirry suoraan sinua kiinnostavaan prosessiin! Lue, miten ultraäänikäsittely parantaa prosessia ja sen tehokkuutta.

Ultraäänihomogenointi

Ultraäänihomogenisaattorit pienentävät nesteessä olevia pieniä hiukkasia tasalaatuisuuden ja dispersion stabiilisuuden parantamiseksi. Hiukkaset (dispergoitunut faasi) voivat olla kiinteitä aineita tai nestepisaroita suspendoituneina nestefaasiin. Ultraäänihomogenointi pienentää pehmeitä ja kovia hiukkasia erittäin tehokkaasti. Hielscher valmistaa ultraäänilaitteita minkä tahansa nestetilavuuden homogenointiin sekä eräkäsittelyyn tai tuotantolinjassa tapahtuvaan käsittelyyn. Laboratorion ultraäänilaitteita voidaan käyttää tilavuuksille 1,5mL:sta noin 4L:aan. Teollisuuden ultraäänilaitteilla voidaan käsitellä eriä tilavuudeltaan 0,5 – noin 2000L tai tilavuusvirtoja 0,1L:sta 20 kuutiometriin tunnissa prosessikehityksessä ja kaupallisessa tuotannossa.
Tutustu ultraäänihomogenoinnin tehoon!

Ultraäänidispergointi ja agglomeraattien hajotus

Kiintoaineiden dispergointi nesteisiin ja agglomeraattien hajotus ovat sondityyppisten ultraäänilaitteiden tärkeitä sovelluksia. Ultraäänen synnyttämä eli akustinen kavitaatio tuottaa suuria leikkausvoimia, jotka hajottavat hiukkasagglomeraatit erillisiksi, yksittäisiksi dispergoituneiksi hiukkasiksi. Jauheiden sekoittaminen nesteisiin on yleinen vaihe erilaisten tuotteiden, kuten maalien, lakkojen, kosmetiikkatuotteiden, elintarvikkeiden ja juomien tai kiillotusaineiden, formuloinnissa. Erilaiset fysikaaliset ja kemialliset vetovoimat, kuten van der Waalsin voimat ja nesteen pintajännitys, pitävät yksittäisiä hiukkasia yhdessä. Ultraäänikäsittely voittaa nämä vetovoimat, jotta hiukkasagglomeraatit voidaan hajottaa ja hiukkaset dispergoida nestemäisiin väliaineisiin. Jauheiden dispergoinnissa nesteisiin ja agglomeraattien hajotuksessa voimakas ultraäänikäsittely on kiinnostava vaihtoehto korkeapainehomogenisaattoreille, suuren leikkausvoiman sekoittimille, helmimyllyille tai roottori-staattorisekoittimille.
Lue perusteelliset tiedot ultraäänidispergoinnista ja agglomeraattien hajotuksesta!

Ultraääniemulgointi

Monet välituotteet ja kuluttajatuotteet, kuten kosmetiikka ja ihovoiteet, lääkevoiteet, lakat, maalit, voiteluaineet ja polttoaineet, perustuvat kokonaan tai osittain emulsioihin. Emulsiot ovat kahden tai useamman toisiinsa sekoittumattoman nestefaasin dispersioita. Erittäin voimakas ultraääni tuottaa riittävän voimakkaan leikkausvaikutuksen nestefaasin (dispergoituneen faasin) dispergoimiseksi pieninä pisaroina toiseen faasiin (jatkuvaan faasiin). Dispergointivyöhykkeellä sisäänpäin romahtavat kavitaatiokuplat aiheuttavat voimakkaita paineaaltoja ympäröivässä nesteessä ja synnyttävät nestesuihkuja, joiden virtausnopeus on suuri (suuri leikkausvaikutus). Ultraäänikäsittely voidaan sovittaa tarkasti emulsion tavoitepisarakokoon, mikä mahdollistaa mikroemulsioiden ja nanoemulsioiden luotettavan valmistuksen.
Napsauta tästä ja lue lisää ultraääniemulgoinnista!

Ultraäänimärkäjauhatus ja hienonnus

Ultraäänikäsittely on tehokas menetelmä hiukkasten märkäjauhatukseen ja mikrohienonnukseen. Ultraäänellä on monia etuja erityisesti erittäin hienojakoisten lietteiden valmistuksessa. Se on parempi kuin perinteiset hiukkaskoon pienennyslaitteet, kuten kolloidimyllyt (esim. kuulamyllyt ja helmimyllyt), levymyllyt tai suihkumyllyt. Ultraäänikäsittelyllä voidaan käsitellä lietteitä, joiden pitoisuus ja viskositeetti ovat suuria – tämä pienentää käsiteltävää tilavuutta. Ultraäänijauhatus soveltuu luonnollisesti mikro- ja nanokokoisten materiaalien, kuten keraamisten materiaalien, pigmenttien, bariumsulfaatin, kalsiumkarbonaatin tai metallioksidien, käsittelyyn. Erityisesti nanomateriaalien käsittelyssä ultraäänikäsittelyn suorituskyky on erinomainen, sillä sen erittäin voimakkaat leikkausvoimat tuottavat tasaisen pieniä nanohiukkasia.
Lue lisää ultraäänimärkäjauhatuksesta ja mikrohienonnuksesta!

Sumutuskuivattu TiO2 ennen ultraäänijauhatusta ja sen jälkeen

Solujen hajotus ja lyysi ultraäänellä

Ultraäänikäsittely voi hajottaa kuitumaisen, selluloosapitoisen materiaalin hienoiksi hiukkasiksi ja rikkoa solurakenteen seinämät. Tämä vapauttaa nesteeseen enemmän solunsisäistä materiaalia, kuten tärkkelystä tai sokeria. Vaikutusta voidaan hyödyntää fermentoinnissa, hajotuksessa ja muissa orgaanisen aineksen muuntoprosesseissa. Jauhatuksen ja hienonnuksen jälkeen ultraäänikäsittely tuo enemmän solunsisäistä materiaalia, kuten tärkkelystä, sekä soluseinämien jäänteitä tärkkelystä sokereiksi muuttavien entsyymien saataville. Se myös kasvattaa entsyymeille altistuvaa pinta-alaa nesteytyksen tai sokeroinnin aikana. Tämä lisää tyypillisesti hiivafermentoinnin ja muiden muuntoprosessien nopeutta ja saantoa esimerkiksi tehostamalla etanolin tuotantoa biomassasta.
Lue lisää solurakenteiden hajottamisesta ultraäänellä!

Kasviperäisten aineiden ultraääniuutto

Soluihin ja solunsisäisiin hiukkasiin varastoituneiden bioaktiivisten yhdisteiden uutto on laajalti käytetty voimakkaan ultraäänen sovellus. Ultraääniuuttoa käytetään sekundaaristen metaboliittien (esim. polyfenolien), polysakkaridien, proteiinien, eteeristen öljyjen ja muiden vaikuttavien aineiden eristämiseen kasvien ja sienten solumatriisista. Orgaanisten yhdisteiden vesi- ja liuotinuuttoon soveltuva ultraäänikäsittely parantaa merkittävästi kasvien tai siementen sisältämien kasviperäisten aineiden saantoa. Ultraääniuuttoa käytetään lääkkeiden, nutraseuttien / ravintolisien, hajusteiden ja biologisten lisäaineiden valmistuksessa. Ultraääni on ympäristöystävällinen uuttotekniikka, jota käytetään myös bioaktiivisten ainesosien uuttamiseen biojalostamoissa, esimerkiksi arvokkaiden yhdisteiden vapauttamiseen teollisissa prosesseissa muodostuvista hyödyntämättömistä sivutuotevirroista. Ultraäänikäsittely on erittäin tehokas tekniikka kasviperäisten aineiden uuttoon laboratorio- ja tuotantomittakaavassa.
Tutustu ultraääniuuton etuihin!

Ultraäänen sonokemialliset sovellukset

Sonokemia tarkoittaa ultraäänen käyttöä kemiallisissa reaktioissa ja prosesseissa. Nesteiden sonokemiallisten vaikutusten taustalla oleva mekanismi on akustinen kavitaatio. Sonokemiallisia vaikutuksia kemiallisiin reaktioihin ja prosesseihin ovat reaktionopeuden tai tuotoksen kasvu, tehokkaampi energiankäyttö, faasinsiirtokatalyyttien suorituskyvyn paraneminen, metallien ja kiinteiden aineiden aktivoituminen sekä reagenssien tai katalyyttien reaktiivisuuden kasvu.
Tutustu ultraäänen sonokemiallisiin vaikutuksiin!

(Jäte)öljyn transesteröinti biodieseliksi ultraäänellä

Ultraäänikäsittely lisää kasviöljyjen ja eläinrasvojen biodieseliksi transesteröinnin kemiallista reaktionopeutta ja saantoa. Tämä mahdollistaa tuotannon muuttamisen eräkäsittelystä jatkuvaksi virtauskäsittelyksi ja pienentää investointi- ja käyttökustannuksia. Yksi ultraääneen perustuvan biodieselin valmistuksen merkittävimmistä eduista on jäteöljyjen, kuten käytettyjen ruokaöljyjen ja muiden heikkolaatuisten öljyraaka-aineiden, käyttö. Ultraäänitransesteröinti voi muuntaa jopa heikkolaatuisen raaka-aineen korkealaatuiseksi biodieseliksi (rasvahapon metyyliesteri / FAME). Biodieselin valmistukseen kasviöljyistä tai eläinrasvoista kuuluu rasvahappojen emäskatalysoitu transesteröinti metanolilla tai etanolilla, jolloin saadaan vastaavia metyyliestereitä tai etyyliestereitä. Ultraäänikäsittelyllä voidaan saavuttaa yli 99 %:n biodieselsaanto. Ultraääni lyhentää merkittävästi käsittelyaikaa ja erotusaikaa.
Napsauta tästä ja lue lisää öljyn ultraääniavusteisesta transesteröinnistä biodieseliksi!

Nesteiden kaasun-, ilman- ja vaahdonpoisto ultraäänellä

Nesteiden kaasunpoisto on toinen sondityyppisten ultraäänilaitteiden tärkeä sovellus. Ultraäänivärähtely ja kavitaatio saavat nesteeseen liuenneet kaasut yhdistymään. Kun pienet kaasukuplat yhdistyvät, ne muodostavat suurempia kuplia, jotka nousevat nopeasti nesteen pinnalle, josta ne voidaan poistaa. Siten ultraääneen perustuva kaasun- ja ilmanpoisto voi vähentää liuenneen kaasun määrän luonnollisen tasapainotason alapuolelle.
Napsauta tästä ja lue lisää nesteiden kaasunpoistosta ultraäänellä!

Lankojen, kaapeleiden ja nauhojen ultraäänipuhdistus

Ultraäänipuhdistus on ympäristöystävällinen vaihtoehto jatkuvien materiaalien, kuten lankojen ja kaapeleiden, nauhojen tai putkien, puhdistukseen. Voimakkaan ultraäänikavitaation vaikutus poistaa materiaalin pinnalta voiteluainejäämiä, kuten öljyä tai voitelurasvaa, saippuoita, stearaatteja tai pölyä. Hielscher Ultrasonics tarjoaa erilaisia ultraäänijärjestelmiä jatkuvien profiilien puhdistukseen tuotantolinjassa.
Napsauta tästä ja lue lisää jatkuvien profiilien ultraäänipuhdistuksesta!

Mikä tekee ultraäänikäsittelystä ylivertaisen käsittelymenetelmän?

Ultraäänikäsittely eli suurtaajuisten ääniaaltojen käyttö nesteiden liikkeen aikaansaamiseen on tehokas käsittelymenetelmä monista syistä. Seuraavassa on joitakin syitä siihen, miksi voimakas, pienitaajuinen, noin 20 kHz:n ultraäänikäsittely on erityisen vaikuttava ja edullinen nesteiden ja lietteiden käsittelyssä:

1. Kavitaatio: Yksi ultraäänikäsittelyn keskeisistä mekanismeista on pienten kuplien muodostuminen ja romahtaminen, mitä kutsutaan kavitaatioksi. 20 kHz:n taajuudella ääniaaltojen taajuus on juuri sopiva kuplien tehokkaaseen muodostumiseen ja romahtamiseen. Kuplien romahtaminen tuottaa suurienergisiä paineaaltoja, jotka voivat hajottaa hiukkasia ja soluja ultraäänikäsiteltävässä nesteessä.
2. Värähtely ja tärinä: Syntyvän akustisen kavitaation lisäksi ultraäänisondin värähtely lisää nesteen liikettä ja sekoittumista ja edistää siten aineensiirtoa ja/tai kaasunpoistoa.
3. Tunkeutuminen: 20 kHz:n ääniaalloilla on suhteellisen pitkä aallonpituus, minkä ansiosta ne voivat tunkeutua syvälle nesteisiin. Ultraäänikavitaatio on paikallinen ilmiö, joka esiintyy ultraäänisondin ympärillä. Etäisyyden kasvaessa sondista kavitaation voimakkuus pienenee. Ultraäänikäsittely 20 kHz:n taajuudella voi kuitenkin käsitellä tehokkaasti suurempia nestetilavuuksia kuin suurempitaajuinen ultraäänikäsittely, jonka aallonpituudet ovat lyhyempiä ja jonka tunkeutumissyvyys voi olla rajoitetumpi.
4. Pieni energiankulutus: Ultraäänikäsittely voidaan toteuttaa suhteellisen pienellä energiankulutuksella verrattuna muihin käsittelymenetelmiin, kuten korkeapainehomogenointiin tai mekaaniseen sekoitukseen. Tämä tekee siitä energiatehokkaamman ja kustannustehokkaamman menetelmän nesteiden käsittelyyn.
5. Lineaarinen skaalautuvuus: Ultraääniprosessit voidaan skaalata täysin lineaarisesti suurempiin tai pienempiin tilavuuksiin. Tämä tekee tuotannon prosessimuutoksista luotettavia, sillä tuotteen laatu voidaan pitää jatkuvasti vakaana.
6. Eräkäsittely ja jatkuva virtauskäsittely: Ultraäänikäsittely voidaan toteuttaa eräprosesseina tai jatkuvina prosesseina tuotantolinjassa. Erien ultraäänikäsittelyä varten ultraäänisondi asetetaan avoimeen astiaan tai suljettuun eräreaktoriin. Jatkuvan virtauksen ultraäänikäsittelyä varten asennetaan ultraäänivirtauskenno. Nestemäinen väliaine ohittaa sonotrodin (ultraäänitaajuudella värähtelevän sauvan) yhdellä läpivirtauksella tai kierrätettynä ja altistuu ultraääniaalloille erittäin tasaisesti ja tehokkaasti.

Kaiken kaikkiaan kavitaation voimakkaat voimat, pieni energiankulutus ja prosessin skaalautuvuus tekevät pienitaajuisesta, suuritehoisesta ultraäänikäsittelystä tehokkaan menetelmän nesteiden käsittelyyn.

Ultraäänikäsittelyn toimintaperiaate ja käyttö

Ultraäänikäsittely on kaupallinen käsittelytekniikka, jonka lukuisat teollisuudenalat ovat ottaneet käyttöön suuren mittakaavan tuotannossa. Suuri luotettavuus ja skaalautuvuus sekä pienet huoltokustannukset ja suuri energiatehokkuus tekevät ultraääniprosessoreista hyvän vaihtoehdon perinteisille nesteenkäsittelylaitteille. Ultraääni tarjoaa myös muita kiinnostavia mahdollisuuksia: kavitaatio – ultraäänen perusvaikutus – tuottaa ainutlaatuisia tuloksia biologisissa, kemiallisissa ja fysikaalisissa prosesseissa. Esimerkiksi ultraäänidispergointi ja -emulgointi tuottavat helposti stabiileja nanokokoisia formulaatioita. Myös kasviperäisten aineiden uutossa ultraääni on ei-termiseen vaikutukseen perustuva tekniikka bioaktiivisten yhdisteiden eristämiseen.

Ultraäänisekoitus perustuu akustiseen kavitaatioon ja sen hydrodynaamisiin leikkausvoimiin.

Heikkotehoista tai suurtaajuista ultraääntä käytetään pääasiassa analyysiin, ainetta rikkomattomaan testaukseen ja kuvantamiseen, kun taas voimakasta ultraääntä käytetään nesteiden ja tahnojen käsittelyyn. Siinä voimakkaita ultraääniaaltoja käytetään sekoitukseen, emulgointiin, dispergointiin ja agglomeraattien hajotukseen, solujen hajotukseen tai entsyymien deaktivointiin. Kun nesteitä käsitellään voimakkaalla ultraäänellä, ääniaallot etenevät nestemäisissä väliaineissa. Tämä synnyttää vuorottelevia korkeapainejaksoja (puristus) ja matalapainejaksoja (harvennus), joiden toistumisnopeus riippuu taajuudesta. Matalapainejakson aikana voimakkaat ultraääniaallot muodostavat nesteeseen pieniä tyhjiökuplia tai onteloita. Kun kuplat saavuttavat tilavuuden, jossa ne eivät enää pysty absorboimaan energiaa, ne romahtavat voimakkaasti korkeapainejakson aikana. Tätä ilmiötä kutsutaan kavitaatioksi. Sisäänpäin romahtamisen aikana saavutetaan paikallisesti erittäin korkeita lämpötiloja (noin 5 000 K) ja paineita (noin 2 000 atm). Kavitaatiokuplan sisäänpäin romahtaminen synnyttää myös nestesuihkuja, joiden nopeus on jopa 280 metriä sekunnissa.

Ultraäänikavitaatio nesteissä voi aiheuttaa nopean ja täydellisen kaasunpoiston; käynnistää erilaisia kemiallisia reaktioita tuottamalla vapaita kemiallisia ioneja (radikaaleja); nopeuttaa kemiallisia reaktioita helpottamalla reaktanttien sekoittumista; tehostaa polymerointi- ja depolymerointireaktioita dispergoimalla aggregaatteja tai katkaisemalla pysyvästi polymeeriketjujen kemiallisia sidoksia; nopeuttaa emulgointia; nopeuttaa diffuusiota; tuottaa erittäin väkeviä emulsioita tai mikro- tai nanokokoisten materiaalien tasalaatuisia dispersioita; edistää aineiden, kuten entsyymien, uuttoa eläin-, kasvi-, hiiva- tai bakteerisoluista; poistaa viruksia infektoituneesta kudoksesta; ja lopuksi kuluttaa ja hajottaa vaikutukselle alttiita hiukkasia, myös mikro-organismeja. (vrt. Kuldiloke 2002)

Voimakas ultraääni aiheuttaa vähäviskoosisissa nesteissä voimakasta liikettä, jota voidaan käyttää materiaalien dispergointiin nesteisiin. (vrt. Ensminger, 1988) Nesteen ja kiinteän aineen tai kaasun ja kiinteän aineen rajapinnoilla kavitaatiokuplien epäsymmetrinen sisäänpäin romahtaminen voi aiheuttaa erittäin voimakasta turbulenssia, joka ohentaa diffuusion rajakerrosta, lisää konvektiivista aineensiirtoa ja nopeuttaa huomattavasti diffuusiota järjestelmissä, joissa tavallinen sekoitus ei ole mahdollista. (vrt. Nyborg, 1965)

Kirjallisuus

• 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).