Sonication par sonde ou bain ultrasonique : Une comparaison d'efficacité

Les processus de sonication peuvent être réalisés à l'aide d'un homogénéisateur ultrasonique à sonde ou d'un bain ultrasonique. Bien que les deux techniques appliquent des ultrasons à l'échantillon, il existe des différences significatives en termes d'efficacité, d'efficience et de capacités de traitement.

Les effets souhaités de la sonification des liquides – L'homogénéisation, la dispersion, la désagglomération, le broyage, l'émulsification, l'extraction, la lyse, la désintégration et la sonochimie sont provoqués par la cavitation acoustique. En introduisant des ultrasons de forte puissance dans un milieu liquide, les ondes sonores sont transmises dans le fluide et créent des cycles alternatifs de haute pression (compression) et de basse pression (raréfaction), dont les taux dépendent de la fréquence. Pendant le cycle de basse pression, les ondes ultrasonores de haute intensité créent de petites bulles de vide ou des vides dans le liquide. Lorsque les bulles atteignent un volume tel qu'elles ne peuvent plus absorber d'énergie, elles s'effondrent violemment au cours d'un cycle de haute pression. Ce phénomène est appelé cavitation. Lors de l'implosion, des températures (environ 5 000 K) et des pressions (environ 2 000 atm) très élevées sont atteintes localement. L'implosion de la bulle de cavitation produit également des jets de liquide dont la vitesse peut atteindre 280 m/s. [Suslick 1998]

Sonicateur à sonde UP100H vs bain ultrasonique : Les sonicateurs à sonde excellent dans la transmission d'ultrasons focalisés et les résultats reproductibles.

Sonicateur à sonde ou bain à ultrasons – Découvrez pourquoi les sonicateurs à sonde se distinguent par leur efficacité et leur fiabilité

 

Dans cette vidéo, nous comparons la puissance d'extraction d'un bain à ultrasons - également connu sous le nom de nettoyeur à ultrasons - à celle d'une sonde à ultrasons Hielscher UP100H.

Extraction de champignons - Ultrasons dans un bain ou à l'aide d'une sonde - Comparaison côte à côte

Vignette vidéo

 

Les bulles de cavitation peuvent être différenciées en bulles stables et bulles transitoires. (Cliquez pour agrandir !)

Fig. 1 : Création de bulles de cavitation stables et transitoires. (a) déplacement, (b) cavitation transitoire, (c) cavitation stable, (d) pression.
[adapté de Santos et al. 2009].

Moholkar et al. (2000) ont constaté que les bulles dans la région où l'intensité de la cavitation est la plus élevée subissent un mouvement transitoire, tandis que les bulles dans la région où l'intensité de la cavitation est la plus faible subissent un mouvement stable/oscillatoire. L'effondrement transitoire des bulles qui donne lieu à des maxima locaux de température et de pression est à l'origine des effets observés des ultrasons sur les systèmes chimiques.
L'intensité des ultrasons est fonction de l'apport d'énergie et de la surface de la sonotrode. Pour un apport d'énergie donné, plus la surface de la sonotrode est grande, plus l'intensité des ultrasons est faible.
Les ondes ultrasonores peuvent être générées par différents types de systèmes ultrasonores. Dans ce qui suit, les différences entre la sonication utilisant un bain à ultrasons, un dispositif de sonde à ultrasons dans un récipient ouvert et un dispositif de sonde à ultrasons avec une chambre à écoulement seront comparées.

Comparaison de la distribution du point chaud cavitaire

Pour les applications ultrasoniques, on utilise des sondes ultrasoniques (sonotrodes/cornets) et des bains ultrasoniques. “Parmi ces deux méthodes d'ultrasonication, la sonication par sonde est plus efficace et plus puissante que le bain ultrasonique dans l'application de la dispersion des nanoparticules ; le dispositif de bain ultrasonique peut fournir une faible ultrasonication avec environ 20-40 W/L et une distribution très non uniforme, tandis que le dispositif de sonde ultrasonique peut fournir 20 000 W/L dans le fluide. Cela signifie que le dispositif à sonde ultrasonique est plus performant que le dispositif à bain ultrasonique par un facteur de 1000.” (cf. Asadi et al., 2019)

Comparaison de la distribution des points chauds en cavitation

Dans le domaine des applications ultrasoniques, les sondes ultrasoniques (sonotrodes/cornes) et les bains ultrasoniques jouent tous deux un rôle essentiel. Cependant, lorsqu'il s'agit de dispersion de nanoparticules, la sonication par sonde est nettement plus performante que les bains ultrasoniques. Selon Asadi et al. (2019), les bains à ultrasons génèrent généralement une ultrasonication plus faible d'environ 20-40 W/L avec une distribution très non uniforme. En contraste frappant, les dispositifs de sonde ultrasonique peuvent délivrer un étonnant 20 000 watts par litre dans le fluide, démontrant une efficacité qui surpasse les bains ultrasoniques par un facteur de 1000. Cette différence marquée met en évidence la capacité supérieure de la sonication par sonde à obtenir une dispersion efficace et uniforme des nanoparticules.

Bains à ultrasons

Découvrez pourquoi les sondes à ultrasons sont plus performantes que les cuves de nettoyage à ultrasons et les sonificateurs à bain.Dans un bain à ultrasons, la cavitation se produit de manière non conforme et se répartit de manière incontrôlée dans la cuve. L'effet de sonication est de faible intensité et inégalement réparti. La répétabilité et l'extensibilité du processus sont très faibles.
L'image ci-dessous montre les résultats d'un test avec une feuille d'aluminium dans une cuve à ultrasons. Une fine feuille d'aluminium ou d'étain est placée au fond d'une cuve à ultrasons remplie d'eau. Après la sonication, des marques d'érosion uniques sont visibles. Ces points perforés et ces trous dans la feuille indiquent les points chauds de la cavitation. En raison de la faible énergie et de la distribution inégale des ultrasons dans la cuve, les marques d'érosion ne se produisent que ponctuellement. C'est pourquoi les bains à ultrasons sont principalement utilisés pour des applications de nettoyage.
 

Dans un bain ou une cuve à ultrasons, le point chaud ultrasonique se produit de manière très inégale (cliquez pour agrandir !).

Dans un bain ou une cuve à ultrasons, le point chaud de la cavitation acoustique se produit de manière très inégale.

 
Les figures ci-dessous montrent la répartition inégale des points chauds de cavitation dans un bain à ultrasons. Dans la figure 2, un bain avec une surface de fond de 20×10 cm ont été utilisés.
 

Appareils à sonde ultrasonique et cuves à ultrasons. Hielscher Ultrasonics démontre les différences dans les champs de cavitation acoustique.

La figure 2 montre la distribution spatiale du champ ultrasonique dans le bain ultrasonique :
(a) en utilisant 1 L d'eau dans le bain et (b) en utilisant le volume total de 2 L d'eau dans le bain.
[Nascentes et al., 2010]

 
Pour les mesures présentées dans la figure 3, un bain à ultrasons avec un fond de 12x10cm a été utilisé.

Cavitation irrégulière dans un bain à ultrasons (Cliquez pour agrandir !)

La figure 3 montre la distribution spatiale du champ ultrasonique dans un bain ultrasonique :
(a) en utilisant 1 L d'eau dans le bain et (b) en utilisant le volume total de 1,3 L d'eau dans le bain.
[Nascentes et al., 2001]

 
Les deux mesures révèlent que la distribution du champ d'irradiation ultrasonique dans les cuves à ultrasons est très inégale. L'étude de l'irradiation ultrasonique à différents endroits du bain montre des variations spatiales significatives de l'intensité de la cavitation dans le bain ultrasonique.

La figure 4 ci-dessous compare l'efficacité d'un bain ultrasonique et d'un dispositif de sonde ultrasonique, illustrée par la décoloration du colorant azoïque Methyl Violet.

Comparaison de la sonication du réservoir de la sonde

Fig. 4 : Les sonicateurs à sonde déploient une intensité énergétique localisée très élevée par rapport à la faible densité d'ultrasons des cuves et des bains à ultrasons.

Dhanalakshmi et al. ont constaté dans leur étude que les appareils à ultrasons de type sonde ont une intensité localisée élevée par rapport aux appareils de type cuve et, par conséquent, un effet localisé plus important, comme le montre la figure 4. Cela signifie que l'intensité et l'efficacité du processus de sonication sont plus élevées.
Une installation à ultrasons, comme le montre la photo 4, permet un contrôle total des paramètres les plus importants, tels que l'amplitude, la pression, la température, la viscosité, la concentration et le volume du réacteur.

Sonicator UP200St with sonotrode S26d7D for the batch-type homogenization of eggnog

Sonicateur à sonde UP200St avec sonotrode S26d7D pour l'homogénéisation des échantillons par lots

Contactez nous ! / Demandez-nous !

Demande d'informations complémentaires

Veuillez utiliser le formulaire ci-dessous pour demander des informations complémentaires sur les sonicateurs à sonde et autres, sur les applications et sur les prix. Nous nous ferons un plaisir de discuter avec vous de votre processus et de vous proposer un sonicateur répondant à vos exigences !









Veuillez noter que notre Politique de confidentialité.


Une sonde ultrasonique (sonotrode) est une tige en titane qui transmet des ondes ultrasoniques dans les liquides. Il en résulte une cavitation acoustique dans le liquide, qui fournit les forces de cisaillement mécaniques nécessaires au traitement ultrasonique.

Photo 1 : Sonotrode transmettant des ultrasons puissants dans le liquide. La buée sous la surface de la sonotrode indique la zone du point chaud de cavitation.

Avantages Sonde-Sonication :

  • intense
  • ciblé
  • entièrement contrôlable
  • répartition uniforme
  • reproductible
  • échelle linéaire à production
  • par lots et en ligne

Les avantages des sonicateurs à sonde

Les sondes ultrasoniques ou sonotrodes sont conçues pour concentrer l'énergie ultrasonique dans une zone précise, généralement à l'extrémité de la sonde. Cette transmission ciblée de l'énergie permet un traitement précis et efficace des échantillons. Comme la conception de la sonde garantit qu'une partie importante de l'énergie ultrasonique est dirigée vers l'échantillon, le transfert d'énergie est considérablement amélioré par rapport aux bains ultrasoniques. Cette transmission ciblée de la puissance des ultrasons est particulièrement avantageuse pour les applications nécessitant un contrôle précis des paramètres de sonication, telles que la désintégration cellulaire, la nano-dispersion, la synthèse de nanoparticules, l'émulsification et l'extraction botanique.
Par conséquent, les sonicateurs à sonde offrent des avantages indéniables par rapport aux bains ultrasoniques en termes de précision, de contrôle, de flexibilité, d'efficacité et d'évolutivité, ce qui en fait des outils indispensables pour un large éventail d'applications scientifiques et industrielles.

Sonicateurs à sonde pour le traitement des béchers ouverts

Lorsque les échantillons sont sonifiés à l'aide d'un dispositif à sonde ultrasonique, la zone de sonification intense se trouve directement sous la sonotrode/la sonde. La distance d'irradiation ultrasonique est limitée à une certaine zone de la pointe de la sonotrode. (voir image 1)
Les procédés ultrasoniques dans des béchers ouverts sont principalement utilisés pour les essais de faisabilité et pour la préparation d'échantillons de plus petits volumes.

Sonicateurs à sonde avec cellule d'écoulement pour le traitement en ligne

Les résultats les plus sophistiqués de la sonication sont obtenus par un traitement continu en mode flux fermé. Toutes les matières sont traitées par la même intensité d'ultrasons que le flux et le temps de séjour dans la chambre du réacteur à ultrasons est contrôlé.

Ensemble de recirculation à ultrasons : UIP1000hdT avec cellule d'écoulement, réservoir et pompe

Ensemble de recirculation à ultrasons : UIP1000hdT avec cellule d'écoulement, réservoir et pompe

Les résultats du traitement des liquides par ultrasons pour une configuration de paramètres donnée sont fonction de l'énergie par volume traité. Cette fonction varie en fonction des modifications apportées aux différents paramètres. En outre, la puissance de sortie réelle et l'intensité par surface de la sonotrode d'un appareil à ultrasons dépendent des paramètres.

L'impact cavitationnel du traitement ultrasonique dépend de l'intensité de la surface qui est décrite par l'amplitude (A), la pression (p), le volume du réacteur (VR), la température (T), la viscosité (η) et d'autres paramètres. Les signes plus et moins indiquent une influence positive ou négative du paramètre spécifique sur l'intensité de la sonication.

L'impact cavitationnel du traitement ultrasonique dépend de l'intensité de la surface qui est décrite par l'amplitude (A), la pression (p), le volume du réacteur (VR), la température (T), la viscosité (η) et d'autres paramètres. Les signes plus et moins indiquent une influence positive ou négative du paramètre spécifique sur l'intensité de la sonication.

En contrôlant le paramètre le plus important du processus de sonication, le processus est entièrement reproductible et les résultats obtenus peuvent être mis à l'échelle de manière totalement linéaire. Différents types de sonotrodes et de réacteurs ultrasoniques pour cellules d'écoulement permettent de s'adapter aux exigences spécifiques du processus.

Résumé : Sonicateur à sonde et bain à ultrasons

Alors qu'un bain à ultrasons fournit une sonication faible avec environ 20 watts par litre seulement et une distribution très irrégulière, les sonicateurs à sonde peuvent facilement coupler environ 20000 watts par litre dans le milieu traité. Cela signifie qu'un sonicateur à sonde ultrasonique surpasse un bain ultrasonique par un facteur de 1000 (apport d'énergie par volume 1000 fois plus élevé) grâce à un apport de puissance ultrasonique ciblé et uniforme. Le contrôle total des paramètres de sonification les plus importants garantit des résultats parfaitement reproductibles et l'extensibilité linéaire des résultats du processus.

Contactez-nous!/ Demandez pour plus d'informations!

Parlez-nous de vos besoins de traitement. Nous vous recommandons les paramètres d'installation et traitement plus adaptés pour votre projet.





Veuillez noter que notre Politique de confidentialité.


Cette vidéo présente la corne de brume ultrasonique de 200 watts pour la dispersion, l'homogénéisation, l'extraction ou le dégazage d'échantillons de laboratoire.

Cornet à Ultrasons (200 Watts)

Vignette vidéo

Littérature/références

  • Asadi, Amin; Pourfattah, Farzad; Miklós Szilágyi, Imre; Afrand, Masoud; Zyla, Gawel; Seon Ahn, Ho; Wongwises, Somchai; Minh Nguyen, Hoang; Arabkoohsar, Ahmad; Mahian, Omid (2019): Effect of sonication characteristics on stability, thermophysical properties, and heat transfer of nanofluids: A comprehensive review. Ultrasonics Sonochemistry 2019.
  • Moholkar, V. S.; Sable, S. P.; Pandit, A. B. (2000): Mapping the cavitation intensity in an ultrasonic bath using the acoustic emission. In: AIChE J. 2000, Vol.46/ No.4, 684-694.
  • Nascentes, C. C.; Korn, M.; Sousa, C. S.; Arruda, M. A. Z. (2001): Use of Ultrasonic Baths for Analytical Applications: A New Approach for Optimisation Conditions. In: J. Braz. Chem. Soc. 2001, Vol.12/ No.1, 57-63.
  • Santos, H. M.; Lodeiro, C., Capelo-Martinez, J.-L. (2009): The Power of Ultrasound. In: Ultrasound in Chemistry: Analytical Application. (ed. by J.-L. Capelo-Martinez). Wiley-VCH: Weinheim, 2009. 1-16.
  • Suslick, K. S. (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; 4th Ed. J. Wiley & Sons: New York, 1998, Vol. 26, 517-541.



Questions fréquemment posées sur les sondes à ultrasons (FAQ)

Qu'est-ce qu'un sonicateur à sonde ultrasonique ?

Un sonicateur à sonde ultrasonique est un appareil qui utilise des ondes sonores à haute fréquence pour perturber ou mélanger des échantillons. Il se compose d'une sonde qui, lorsqu'elle est immergée dans un liquide, génère des vibrations ultrasoniques, entraînant une cavitation et les effets souhaités sur le traitement de l'échantillon.

Quel est le principe de la sonication de la sonde ?

La sonication par sonde fonctionne sur le principe de la cavitation ultrasonique. Lorsque la sonde vibre dans l'échantillon, elle crée des bulles microscopiques qui se dilatent et s'effondrent rapidement. Ce processus génère des forces de cisaillement intenses et de la chaleur, perturbant les cellules ou mélangeant les composants à un niveau microscopique.

Un nettoyeur à ultrasons est-il la même chose qu'un sonicateur ?

Non, ce n'est pas la même chose. Un nettoyeur à ultrasons utilise des ondes ultrasoniques très douces dans un bain pour nettoyer des objets, principalement par vibration et très peu par cavitation. Un sonicateur, plus précisément un sonicateur à sonde ultrasonique, est conçu pour le traitement ultrasonique direct et intensif d'échantillons, en se concentrant sur la désagrégation ou l'homogénéisation.

Quelle est l'utilité d'une sonde à ultrasons ?

Une sonde à ultrasons est principalement utilisée pour des tâches de préparation d'échantillons telles que la désintégration de cellules, l'homogénéisation, l'émulsification et la dispersion de particules dans une variété d'applications industrielles et de recherche dans les domaines de la chimie, de la biologie et de la science des matériaux.

Quelle est la différence entre un sonicateur à sonde et un cornet à pistons ?

Un sonicateur à sonde immerge directement la sonde dans l'échantillon pour une sonication intense. Un sonicateur à cornet, quant à lui, n'immerge pas la sonde mais utilise une méthode indirecte où l'échantillon est placé dans un récipient à l'intérieur d'un bain d'eau qui transmet l'énergie ultrasonique.

Pourquoi utiliser un sonicateur à sonde ?

Un sonicateur à sonde est utilisé pour sa capacité à délivrer une énergie ultrasonique directe et de haute intensité à un échantillon, ce qui permet de le désagréger, de l'homogénéiser ou de l'émulsifier de manière efficace. Il est particulièrement utile pour les échantillons difficiles à traiter ou lorsqu'un contrôle précis du processus est nécessaire.

Quels sont les avantages d'un sonicateur à sonde ?

Les avantages comprennent le traitement efficace et rapide des échantillons, la polyvalence des applications, le contrôle précis des paramètres de sonication et la capacité de traiter une large gamme de tailles et de types d'échantillons, depuis les échantillons de laboratoire de petit volume jusqu'aux lots ou débits industriels plus importants.

Comment utiliser un sonicateur à sonde ultrasonique ?

L'utilisation d'un sonicateur à sonde ultrasonique implique de sélectionner la taille de la sonde et les paramètres de sonication appropriés, d'immerger l'extrémité de la sonde dans l'échantillon, puis d'activer le sonicateur pendant la durée et la puissance souhaitées pour obtenir un traitement efficace de l'échantillon.

Quelle est la différence entre la sonication et l'ultrasonication ?

La sonication fait référence à l'utilisation générale d'ondes sonores pour le traitement des matériaux, qui peut inclure une gamme de fréquences. L'ultrasonication spécifie l'utilisation de fréquences ultrasoniques (généralement supérieures à 20 kHz), en se concentrant sur les applications qui nécessitent des ondes sonores à haute énergie pour le traitement d'échantillons. Cependant, la plupart des gens font référence aux ultrasons lorsqu'ils utilisent le mot sonicateur.

Nous nous ferons un plaisir de discuter de votre processus.

Let's get in contact.