Ultraäänikavitaatio nesteissä

Ultraäänikavitaatio on voimakkaaseen ultraääneen perustuvan nesteenkäsittelyn käyttövoima. Kun nesteeseen kytketään voimakasta ultraääntä, siihen muodostuu mikroskooppisia höyrykuplia, jotka kasvavat ja luhistuvat rajusti. Tämä akustinen kavitaatio synnyttää voimakkaita paikallisia leikkausvoimia, mikrosuihkuja, iskuaaltoja, paineenvaihteluita ja mikrosekoitusvaikutuksia, jotka voivat nopeuttaa homogenointia, dispergointia, emulgointia, uuttoa, kaasunpoistoa, solujen hajotusta ja sonokemiallisia reaktioita.

Hielscherin anturityyppiset ultraäänilaitteet käyttävät hallittua akustista kavitaatiota ultraäänienergian siirtämiseen suoraan nesteisiin, suspensioihin ja lietteisiin. Pienistä laboratorionäytteistä jatkuvaan teolliseen läpivirtaustuotantoon Hielscherin järjestelmät mahdollistavat amplitudin, sonotrodin geometrian, paineen, lämpötilan, tilavuusvirran ja viipymäajan säätämisen toistettavien kavitaatiotulosten saavuttamiseksi.

• Laboratorioille: kehitä ja optimoi ultraäänikäsittelyn parametreja pienissä tilavuuksissa.
• Pilottilaitoksille: validoi kavitaatioon perustuvat prosessit realistisissa käsittelyolosuhteissa.
• Tuotantoon: skaalaa ultraäänikavitaatio panosprosesseihin, kierrätysprosesseihin tai jatkuviin linjaprosesseihin.

Ultraäänikavitaation toimintaperiaate

Kun nesteitä käsitellään voimakkaalla ultraäänellä, nestemäisessä väliaineessa etenevät ääniaallot aiheuttavat vuorottelevia korkean paineen (puristuksen) ja matalan paineen (harvennuksen) jaksoja, joiden toistumisnopeus riippuu taajuudesta. Matalan paineen jakson aikana voimakkaat ultraääniaallot synnyttävät nesteeseen pieniä tyhjiökuplia tai tyhjiä onteloita. Kun kuplat saavuttavat tilavuuden, jossa ne eivät enää pysty absorboimaan energiaa, ne luhistuvat rajusti korkean paineen jakson aikana. Tätä ilmiötä kutsutaan kavitaatioksi. Luhistumisen aikana saavutetaan paikallisesti erittäin korkeita lämpötiloja (noin 5 000K) ja paineita (noin 2 000atm). Kavitaatiokuplan luhistuminen synnyttää myös nestesuihkuja, joiden nopeus on jopa 280m/s.

Akustinen kavitaatio (jonka teho-ultraääni synnyttää) luo paikallisesti äärimmäisiä olosuhteita, niin sanottuja sonomekaanisia ja sonokemiallisia vaikutuksia. Näiden vaikutusten ansiosta ultraäänikäsittely edistää kemiallisia reaktioita, mikä johtaa suurempiin saantoihin, nopeampiin reaktioihin, uusiin reaktioreitteihin ja parempaan kokonaistehokkuuteen.

Ultraäänilaitteiden ja akustisen kavitaation keskeiset sovellukset

Anturityyppiset ultraäänilaitteet, jotka tunnetaan myös ultraääniantureina, synnyttävät tehokkaasti voimakasta akustista kavitaatiota nesteissä. Siksi niitä käytetään laajasti erilaisissa sovelluksissa eri teollisuudenaloilla. Anturityyppisten ultraäänilaitteiden synnyttämän akustisen kavitaation tärkeimpiä sovelluksia ovat muun muassa:
 

1. Homogenointi: Ultraäänianturit voivat synnyttää voimakasta kavitaatiota, jota luonnehditaan energiatiheäksi värähtelyn ja leikkausvoimien kentäksi. Nämä voimat mahdollistavat erinomaisen sekoituksen, ainesosien yhdistämisen ja hiukkaskoon pienentämisen. Ultraäänihomogenointi tuottaa tasaisesti sekoittuneita suspensioita. Siksi ultraäänikäsittelyä käytetään homogeenisten kolloidisten suspensioiden tuottamiseen siten, että niiden jakaumakäyrät ovat kapeita.
2. Nanohiukkasten dispergointi: Ultraäänilaitteita käytetään nanohiukkasten dispergointiin, deagglomerointiin ja märkäjauhatukseen. Matalataajuiset ultraääniaallot voivat synnyttää voimakasta kavitaatiota, joka hajottaa agglomeraatteja ja pienentää hiukkaskokoa. Erityisesti nestesuihkujen voimakas leikkaus kiihdyttää nesteessä olevia hiukkasia, jotka törmäävät toisiinsa (hiukkasten väliset törmäykset), jolloin hiukkaset rikkoutuvat ja kuluvat. Tämä johtaa hiukkasten tasaiseen ja vakaaseen jakautumiseen ja estää sedimentaation. Tämä on ratkaisevan tärkeää eri aloilla, kuten nanoteknologiassa, materiaalitieteessä ja lääkealalla.
3. Emulgointi ja sekoitus: Anturityyppisiä ultraäänilaitteita käytetään emulsioiden muodostamiseen ja nesteiden sekoittamiseen. Ultraäänienergia aiheuttaa kavitaatiota eli mikroskooppisten kuplien muodostumista ja luhistumista, mikä synnyttää voimakkaita paikallisia leikkausvoimia. Tämä prosessi auttaa emulgoimaan toisiinsa sekoittumattomia nesteitä ja tuottaa vakaita, hienojakoisia emulsioita.
4. Uutto: Kavitaation leikkausvoimien ansiosta ultraäänilaitteet hajottavat solurakenteita ja parantavat aineensiirtoa kiinteän aineen ja nesteen välillä erittäin tehokkaasti. Siksi ultraääniuuttoa käytetään laajasti solunsisäisen materiaalin, kuten bioaktiivisten yhdisteiden, vapauttamiseen korkealaatuisten kasviuutteiden valmistuksessa.
5. Kaasunpoisto ja ilmanpoisto: Anturityyppisiä ultraäänilaitteita käytetään kaasukuplien tai liuenneiden kaasujen poistamiseen nesteistä. Ultraäänikavitaation käyttö edistää kaasukuplien yhdistymistä, jolloin ne kasvavat ja nousevat nesteen pinnalle. Ultraäänikavitaatio tekee kaasunpoistosta nopean ja tehokkaan menetelmän. Tämä on hyödyllistä eri teollisuudenaloilla, esimerkiksi maalien, hydraulinesteiden sekä elintarvikkeiden ja juomien käsittelyssä, jossa kaasujen läsnäolo voi heikentää tuotteen laatua ja vakautta.
6. Sonokatalyysi: Ultraääniantureita voidaan käyttää sonokatalyysiin, prosessiin, jossa akustinen kavitaatio yhdistetään katalyytteihin kemiallisten reaktioiden tehostamiseksi. Ultraääniaaltojen synnyttämä kavitaatio parantaa aineensiirtoa, kasvattaa reaktionopeuksia ja edistää vapaiden radikaalien muodostumista, mikä johtaa tehokkaampiin ja selektiivisempiin kemiallisiin muunnoksiin.
7. Näytteiden valmistelu: Anturityyppisiä ultraäänilaitteita käytetään yleisesti laboratorioissa näytteiden valmisteluun. Niitä käytetään biologisten näytteiden, kuten solujen, kudosten ja virusten, homogenointiin, aggregaattien hajottamiseen ja uuttoon. Anturin tuottama ultraäänienergia hajottaa solukalvoja, vapauttaa solujen sisältöä ja helpottaa jatkoanalyysejä.
8. Hajottaminen ja solujen hajotus: Anturityyppisiä ultraäänilaitteita käytetään solujen ja kudosten hajottamiseen eri tarkoituksiin, kuten solunsisäisten komponenttien uuttoon, mikrobien inaktivointiin tai näytteiden valmisteluun analyysiä varten. Voimakkaat ultraääniaallot ja niiden synnyttämä kavitaatio aiheuttavat mekaanista rasitusta ja leikkausvoimia, jotka johtavat solurakenteiden hajoamiseen. Biologisessa tutkimuksessa ja lääketieteellisessä diagnostiikassa anturityyppisiä ultraäänilaitteita käytetään solulyysiin eli solujen avaamiseen niiden solunsisäisten komponenttien vapauttamiseksi. Ultraäänienergia hajottaa soluseiniä, solukalvoja ja soluelimiä, mikä mahdollistaa proteiinien, DNA:n, RNA:n ja muiden solun ainesosien uuton.

 
Nämä ovat joitakin anturityyppisten ultraäänilaitteiden keskeisiä sovelluksia, mutta teknologialla on vielä laajempi valikoima muita käyttötarkoituksia, kuten sonokemia, hiukkaskoon pienentäminen (märkäjauhatus), hiukkasten synteesi pienemmistä rakenneosista sekä kemiallisten aineiden ja materiaalien sonosynteesi eri aloilla, kuten lääkealalla, elintarviketeollisuudessa, bioteknologiassa ja ympäristötieteissä.

Suurnopeuskuvasarja (a:sta f:ään), joka havainnollistaa grafiittihiutaleen sonomekaanista kuorintaa vedessä käyttäen ultraäänilaitetta UP200S, jonka teho on 200W ja jossa on 3 mm:n sonotrodi. Nuolet osoittavat hiukkasten halkeamiskohdan, johon kavitaatiokuplat tunkeutuvat.
© Tyurnina et al. 2020

Alla oleva taulukko antaa viitteitä ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista:

Video akustisesta kavitaatiosta nesteessä

Seuraava video havainnollistaa akustista kavitaatiota ultraäänilaitteen UIP1000hdT cascatrodissa vedellä täytetyssä lasikolonnissa. Lasikolonnia valaistaan alhaalta punaisella valolla, jotta kavitaatiokuplat näkyvät paremmin.