Ultrasonics: sovellukset ja prosessit

Ultrasonication on mekaaninen käsittelymenetelmä, joka luo akustisen kavitaation ja erittäin voimakkaat fyysiset voimat. Siksi ultraääniä käytetään lukuisiin sovelluksiin, kuten sekoittamiseen, homogenointiin, jyrsintään, dispersioon, emulgointiin, uuttamiseen, kaasunpoistoon ja sonokemiallisiin reaktioihin.
Alla opit kaiken tyypillisistä ultraäänisovelluksista ja -prosesseista.

Ultraääni homogenisoiva

Ultraäänihomogenisaattorit vähentävät pieniä hiukkasia nesteessä tasaisuuden ja dispersion stabiilisuuden parantamiseksi. Hiukkaset (dispergointifaasi) voivat olla kiinteitä tai nestemäisiä pisaroita, jotka on suspendoitu nestefaasiin. Ultraäänihomogenisointi on erittäin tehokas pehmeiden ja kovien hiukkasten vähentämiseksi. Hielscher valmistaa ultraääniastioita minkä tahansa nestetilavuuden homogenointiin ja erä- tai inline-käsittelyyn. Laboratorion ultraäänilaitteita voidaan käyttää tilavuuksiin 1,5 ml: sta noin 4 litraan. Ultraääniteollisuuslaitteet voivat käsitellä eriä 0,5 - noin 2000L tai virtausnopeuksia 0,1L - 20 kuutiometriä tunnissa prosessikehityksessä ja kaupallisessa tuotannossa.
Klikkaa tästä lukeaksesi lisää ultraäänihomogenisoinnista!

Ultraäänidispergointi ja deagglomeraatio

Kiinteiden aineiden dispersio ja deagglomeraatio nesteiksi on tärkeä koetintyyppisten ultraäänilaitteiden sovellus. Ultraääni / akustinen kavitaatio tuottaa suuria leikkausvoimia, jotka hajottavat hiukkasten agglomeraatit yksittäisiksi, yksittäisiksi dispergoituneiksi hiukkasiksi. Jauheiden sekoittaminen nesteiksi on yleinen vaihe erilaisten tuotteiden, kuten maalien, lakkojen, kosmeettisten valmisteiden, elintarvikkeiden ja juomien tai kiillotusaineiden, formuloinnissa. Yksittäisiä hiukkasia pitävät yhdessä erilaiset fysikaaliset ja kemialliset vetovoimat, mukaan lukien van-der-Waals-voimat ja nesteen pintajännitys. Ultrasonication voittaa nämä vetovoimat hiukkasten deagglomeroitumiseksi ja hajottamiseksi nestemäisissä väliaineissa. Jauheiden dispergointiin ja deagglomerointiin nesteissä korkean intensiteetin ultrasonication on mielenkiintoinen vaihtoehto korkeapainehomogenisaattoreille, korkean leikkaussekoittimien, helmimyllyjen tai roottori-staattori-sekoittimien.
Klikkaa tästä lukeaksesi lisää ultraäänidispergoinnista ja deagglomeraatiosta!

Ultraääniemulgointi

Monet väli- ja kulutustuotteet, kuten kosmetiikka ja ihovoiteet, farmaseuttiset voiteet, lakat, maalit ja voiteluaineet sekä polttoaineet perustuvat kokonaan tai osittain emulsioihin. Emulsiot ovat kahden tai useamman sekoittumattoman nestefaasin dispersioita. Erittäin intensiivinen ultraääni tuottaa tarpeeksi voimakasta leikkausta nestefaasin (dispergoidun faasin) hajottamiseksi pieniin pisaroihin toisessa vaiheessa (jatkuva vaihe). Dispergointivyöhykkeellä luhistuvat kavitaatiokuplat aiheuttavat voimakkaita iskuaaltoja ympäröivässä nesteessä ja johtavat nestemäisten suihkujen muodostumiseen, joilla on suuri nestenopeus (suuri leikkaus). Ultrasonication voidaan sovittaa tarkasti kohdeemulsion kokoon, mikä mahdollistaa mikroemulsioiden ja nanoemulsioiden luotettavan tuotannon.
Klikkaa tästä lukeaksesi lisää ultraääniemulgoinnista!

Ultraääni märkäjyrsintä ja hionta

Ultrasonication on tehokas keino hiukkasten märkäjyrsintään ja mikrohiontaan. Erityisesti erittäin hienokokoisten lietteiden valmistuksessa ultraäänellä on monia etuja. Se on parempi kuin perinteiset koon pienentämislaitteet, kuten: kolloidimyllyt (esim. kuulamyllyt, helmimyllyt), kiekkomyllyt tai suihkumyllyt. Ultrasonication voi käsitellä korkean pitoisuuden ja korkean viskositeetin lietteitä - mikä vähentää käsiteltävää tilavuutta. Ultraäänijyrsintä soveltuu tietenkin mikronikokoisten ja nanokokoisten materiaalien, kuten keramiikan, pigmenttien, bariumsulfaatin, kalsiumkarbonaatin tai metallioksidien, käsittelyyn. Erityisesti nanomateriaalien osalta ultrasonication on erinomainen suorituskyvyssä, koska sen erittäin vaikuttavat leikkausvoimat luovat tasaisesti pieniä nanohiukkasia.
Klikkaa tästä lukeaksesi lisää ultraääni märkäjyrsintä ja mikrohionta!

Ultraäänisolujen hajoaminen ja hajoaminen

Ultraäänikäsittely voi hajottaa kuitu-, selluloosamateriaalin hienoiksi hiukkasiksi ja rikkoa solurakenteen seinät. Tämä vapauttaa enemmän solunsisäistä materiaalia, kuten tärkkelystä tai sokeria nesteeseen. Tätä vaikutusta voidaan käyttää orgaanisen aineen käymiseen, ruoansulatukseen ja muihin muuntamisprosesseihin. Jauhamisen ja jauhamisen jälkeen ultrasonication tekee enemmän solunsisäisestä materiaalista, kuten tärkkelyksestä, sekä soluseinän roskista, jotka ovat tärkkelystä sokereiksi muuntavien entsyymien käytettävissä. Se lisää myös entsyymeille altistuvaa pinta-alaa nesteytyksen tai sokeroinnin aikana. Tämä lisää tyypillisesti hiivakäymisen ja muiden muuntoprosessien nopeutta ja saantoa, esimerkiksi etanolin tuotannon lisäämiseksi biomassasta.
Klikkaa tästä lukeaksesi lisää solurakenteiden ultraäänihajoamisesta!

Kasvitieteellisten aineiden ultraääniuutto

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

Ultrasonicsin sonokemiallinen käyttö

Sonokemia on ultraäänen soveltaminen kemiallisiin reaktioihin ja prosesseihin. Sonokemiallisia vaikutuksia nesteissä aiheuttava mekanismi on akustisen kavitaation ilmiö. Sonokemiallisia vaikutuksia kemiallisiin reaktioihin ja prosesseihin ovat reaktionopeuden tai -tuotannon lisääntyminen, tehokkaampi energiankäyttö, faasinsiirtokatalyyttien suorituskyvyn parantaminen, metallien ja kiinteiden aineiden aktivointi tai reagenssien tai katalyyttien reaktiivisuuden lisääntyminen.
Klikkaa tästä lukeaksesi lisää ultraäänen sonokemiallisista vaikutuksista!

Öljyn ultraääni transesteröinti biodieseliin

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 ultraäänibiodieselin 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 saannon yli 99%. Ultraääni vähentää käsittelyaikaa ja erotusaikaa merkittävästi.
Klikkaa tästä lukeaksesi lisää öljyn ultraäänellä avustetusta transesteröinnistä biodieseliksi!

Ultraäänikaasunpoisto ja nesteiden ilmastus

Nesteiden kaasunpoisto on toinen tärkeä koetintyyppisten ultraäänilaitteiden sovellus. Ultraäänivärähtelyt ja kavitaatio aiheuttavat liuenneiden kaasujen yhteensulautumisen nesteessä. Kun pienet kaasukuplat sulautuvat yhteen, ne muodostavat siten suurempia kuplia, jotka kelluvat nopeasti nesteen yläpinnalle, josta ne voidaan poistaa. Siten ultraäänikaasunpoisto ja ilmanpoisto voivat vähentää liuenneen kaasun tasoa luonnollisen tasapainotason alapuolella.
Klikkaa tästä lukeaksesi lisää nesteiden ultraäänikaasunpoistosta!

Ultraäänilangan, kaapelin ja nauhojen puhdistus

Ultraäänipuhdistus on ympäristöystävällinen vaihtoehto jatkuvien materiaalien, kuten langan 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 sisäiseen puhdistukseen.
Klikkaa tästä saadaksesi lisätietoja jatkuvien profiilien ultraäänipuhdistuksesta!

Mikä tekee sonikaatiosta ylivoimaisen käsittelymenetelmän?

Sonikaatio tai korkeataajuisten ääniaaltojen käyttö nesteiden sekoittamiseksi on tehokas käsittelymenetelmä useista syistä. Seuraavassa on muutamia syitä, miksi sonikaatio korkealla intensiteetillä ja matalalla taajuudella noin 20 kHz on erityisen vaikuttava ja edullinen nesteiden ja lietteiden käsittelyssä:

1. Kavitaatio: Yksi sonikoinnin tärkeimmistä mekanismeista on pienten kuplien luominen ja romahtaminen, ilmiö, jota kutsutaan kavitaatioksi. 20 kHz:n taajuudella ääniaallot ovat juuri oikealla taajuudella kuplien luomiseksi ja romahduttamiseksi tehokkaasti. Näiden kuplien romahtaminen tuottaa korkean energian iskuaaltoja, jotka voivat hajottaa hiukkasia ja häiritä soluja sonikoitavassa nesteessä.
2. Värähtely ja tärinä: Syntyneen akustisen kavitaation lisäksi ultraäänianturin värähtely luo lisää levottomuutta ja sekoittumista nesteessä, mikä edistää massansiirtoa ja / tai kaasunpoistoa.
3. Läpäisy: 20 kHz: n ääniaalloilla on suhteellisen pitkä aallonpituus, jonka ansiosta ne voivat tunkeutua syvälle nesteisiin. Ultraäänikavitaatio on lokalisoiva ilmiö, joka esiintyy ultraäänianturin ympäristössä. Kun etäisyys koettimeen kasvaa, kavitaatiointensiteetti vähenee. Kuitenkin sonikaatio 20 kHz: llä voi tehokkaasti käsitellä suurempia nestemääriä verrattuna korkeamman taajuuden sonikaatioon, jolla on lyhyemmät aallonpituudet ja joka voi olla rajoitetumpi tunkeutumissyvyydessään.
4. Alhainen energiankulutus: Sonikaatio voidaan saavuttaa suhteellisen alhaisella energiankulutuksella verrattuna muihin käsittelymenetelmiin, kuten korkeapainehomogenointiin tai mekaaniseen sekoittamiseen. Tämä tekee siitä energiatehokkaamman ja kustannustehokkaamman menetelmän nesteiden käsittelyyn.
5. Lineaarinen skaalautuvuus: Ultraääniprosessit voidaan skaalata täysin lineaarisesti suurempiin tai pienempiin tilavuuksiin. Tämä tekee tuotannon prosessimukautuksista luotettavia, koska tuotteiden laatu voidaan pitää jatkuvasti vakaana.
6. Erä- ja inline-työnkulku: Ultrasonication voidaan suorittaa eränä tai jatkuvina sisäisinä prosesseina. Erien sonikaatiota varten ultraäänianturi työnnetään avoimeen astiaan tai suljettuun eräreaktoriin. Jatkuvan virtausvirran sonikaatiota varten asennetaan ultraäänivirtauskenno. Nestemäinen väliaine kulkee sonotrodin (ultraäänellä värähtelevä sauva) yhdellä kierroksella tai kierrätyksessä ja on erittäin yhtenäinen ja tehokas, altistuu ultraääniaalloille.

Kaiken kaikkiaan kavitaation voimakkaat voimat, alhainen energiankulutus ja prosessin skaalautuvuus tekevät matalataajuisesta, suuritehoisesta sonikaatiosta tehokkaan menetelmän nesteiden käsittelyyn.

Toimintaperiaate ja ultraäänikäsittelyn käyttö

Ultrasonication on kaupallinen prosessointitekniikka, jonka lukuisat teollisuudenalat ovat ottaneet käyttöön laajamittaiseen tuotantoon. Korkea luotettavuus ja skaalautuvuus sekä alhaiset ylläpitokustannukset ja korkea energiatehokkuus tekevät ultraääniprosessoreista hyvän vaihtoehdon perinteisille nesteenkäsittelylaitteille. Ultraääni tarjoaa lisää jännittäviä mahdollisuuksia: Kavitaatio – perus 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-terminen tekniikka bioaktiivisten yhdisteiden eristämiseksi.

Vaikka matalan intensiteetin tai korkeataajuista ultraääntä käytetään pääasiassa analyysiin, rikkomattomaan testaukseen ja kuvantamiseen, korkean intensiteetin ultraääntä käytetään nesteiden ja tahnojen käsittelyyn, jossa voimakkaita ultraääniaaltoja käytetään sekoittamiseen, emulgointiin, dispergointiin ja deagglomeraatioon, solujen hajoamiseen tai entsyymien deaktivointiin. Kun sonikoidaan nesteitä suurilla intensiteeteillä, ääniaallot leviävät nestemäisen väliaineen läpi. Tämä johtaa vuorotteleviin korkeapaineisiin (puristus) ja matalapaineisiin (harvinaisuus) sykleihin, joiden nopeudet riippuvat taajuudesta. Matalapainesyklin aikana korkean intensiteetin ultraääniaallot luovat pieniä tyhjiökuplia tai tyhjiöitä nesteeseen. 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 (noin 5 000 K) ja paineet (noin 2 000 atm). Kavitaatiokuplan luhistuminen johtaa myös nestesuihkuihin, joiden nopeus on jopa 280 metriä sekunnissa.

Nesteiden ultraäänikavitaatio voi aiheuttaa nopean ja täydellisen kaasunpoiston; käynnistää erilaisia kemiallisia reaktioita tuottamalla vapaita kemiallisia ioneja (radikaaleja); nopeuttaa kemiallisia reaktioita helpottamalla reagenssien sekoittamista; tehostaa polymerointi- ja depolymerointireaktioita dispergoimalla aggregaatteja tai rikkomalla pysyvästi kemiallisia sidoksia polymeeriketjuissa; lisätä emulgointinopeuksia; parantaa diffuusionopeuksia; tuottaa erittäin väkeviä emulsioita tai yhtenäisiä dispersioita mikronikokoisista tai nanokokoisista materiaaleista; auttaa aineiden, kuten entsyymien, uuttamisessa eläin-, kasvi-, hiiva- tai bakteerisoluista; poista virukset tartunnan saaneesta kudoksesta; ja lopuksi syövyttää ja hajottaa herkkiä hiukkasia, myös mikro-organismeja. (vrt. Kuldiloke 2002)

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