પ્રોબ અને બાથ સોનિકેશન કેવી રીતે અલગ પડે છે? – કાર્યક્ષમતાની સરખામણી

નિષ્કર્ષણ, વિખેરણ અથવા કોષવિઘટન વધારવા માટે ખાદ્ય વિજ્ઞાન, જૈવપ્રૌદ્યોગિકી અને સામગ્રી ઇજનેરીમાં અલ્ટ્રાસોનિકેશનનો વ્યાપક ઉપયોગ થાય છે. પ્રોબ અને બાથ સોનિકેટર બંને ધ્વનિક કેવિટેશન પર આધાર રાખતાં હોવા છતાં, તેમની કામગીરી અને નિયંત્રણની લાક્ષણિકતાઓમાં ઘણો તફાવત હોય છે. બંનેમાંથી કયું પસંદ કરવામાં આવે છે તેની નિષ્કર્ષણ કાર્યક્ષમતા, પુનરુત્પાદકતા અને પ્રક્રિયાનું પ્રમાણ વધારવાની ક્ષમતા પર મોટી અસર પડે છે.

Alaria esculenta અને Lemna minorમાંથી બાયોમાસ નિષ્કર્ષણ તથા નેનોકણોના વિખેરણ અંગેના અભ્યાસો સહિતના પ્રકાશિત સંશોધનના આધારે, આ લેખ બંને તકનીકોની સરખામણી કરે છે અને વધુ ક્ષમતા માગતાં નિષ્કર્ષણ કાર્યોમાં પ્રોબ પ્રકારનું સોનિકેશન શા માટે સતત બાથ પ્રણાલીઓ કરતાં વધુ સારું પ્રદર્શન કરે છે તે દર્શાવે છે.

પ્રોબ અને બાથ સોનિકેટર: કાર્યસિદ્ધાંત અને ઊર્જા પહોંચાડવાની રીત

પ્રોબ સોનિકેશન: પ્રત્યક્ષ અને ઉચ્ચ તીવ્રતાનું કેવિટેશન

પ્રોબ સોનિકેટરમાં ધાતુનો હોર્ન (ઘણી વાર ટાઇટેનિયમનો) સીધો નમૂનામાં દાખલ કરવામાં આવે છે. તેની ટોચ માધ્યમમાં અલ્ટ્રાસાઉન્ડ પ્રસારિત કરે છે અને અત્યંત ઊંચા ઊર્જા ઘનત્વવાળો, ખૂબ જ સ્થાનિક કેવિટેશન વિસ્તાર ઉત્પન્ન કરે છે – ઔદ્યોગિક ઉપકરણોમાં આ ઘનત્વ 20,000 W/L સુધી નોંધાયું છે. આ પ્રત્યક્ષ ઊર્જા સંયોજનથી યાંત્રિક ઊર્જા નમૂનામાં કાર્યક્ષમ રીતે પહોંચે છે, જે પ્રબળ કર્તન બળો, સૂક્ષ્મ જેટ પ્રવાહો અને આઘાત તરંગો ઉત્પન્ન કરે છે.
Inguanez અને સહલેખકોના પુરાવા દર્શાવે છે કે ઊંચા કંપવિસ્તાર (દા.ત., 80%) પરના પ્રોબ સોનિકેશનથી બાથ સારવાર અને સારવાર ન કરેલા નિયંત્રણ નમૂનાઓની સરખામણીમાં Alaria esculenta અને Lemna minor બંનેમાંથી પ્રોટીનનું નિષ્કર્ષણ નોંધપાત્ર રીતે વધ્યું હતું. ઉદાહરણ તરીકે, 80% કંપવિસ્તાર પર 2-મિનિટની સારવારથી નિયંત્રણ નમૂનાઓ કરતાં 3.87-ગણી સુધી વધુ પ્રોટીન સાંદ્રતા મળી હતી.

નેનોકણોના વિખેરણમાં પણ આવી જ રીત જોવા મળે છે: સોનોટ્રોડ (પ્રોબ) અલ્ટ્રાસોનિકેશને અલ્ટ્રાસોનિક બાથ કરતાં 70–150 ગણું વધુ શક્તિ ઘનત્વ પૂરું પાડ્યું હતું, જેનાથી BaTiO₃ અને TiCN નેનોકણોના ગૂચ્છો વિખેરવાનું શક્ય બન્યું હતું; બાથથી આ શક્ય બન્યું નહોતું. (Windey et al., 2023)

બાથ સોનિકેશન: પરોક્ષ, ઓછી તીવ્રતાવાળું ઊર્જા વિતરણ

અલ્ટ્રાસોનિક બાથ પાણીના માધ્યમ દ્વારા નમૂનાનાં પાત્રોમાં ઊર્જા પહોંચાડે છે. આ દરમિયાન નોંધપાત્ર ધ્વનિક ઊર્જાહાનિ થાય છે અને આખી ટાંકીમાં ઊર્જા ફેલાઈને વિતરિત થાય છે.
બાથ પ્રણાલીઓ સામાન્ય રીતે 20–40 W/L પૂરું પાડે છે, જે પ્રોબ કરતાં અનેક પરિમાણક્રમ જેટલું ઓછું છે – પરિણામે હળવું કેવિટેશન થાય છે, જે મેટ્રિક્સના સઘન વિઘટન માટે અપૂરતું હોય છે.
બાયોમાસના અભ્યાસમાં, બાથ સોનિકેશને પ્રોબ પ્રણાલીઓની સરખામણીમાં સતત નબળું પ્રદર્શન કર્યું હતું; તેમાં વધુ લાંબી સારવારની જરૂર પડી હતી અને તેમ છતાં નિષ્કર્ષણ ઉપજ ઓછી મળી હતી.

Windey અને સહલેખકોએ પણ દર્શાવ્યું હતું કે બાથ અલ્ટ્રાસોનિકેશન TiCN નેનોકણોના ગૂચ્છોને કાર્યક્ષમ રીતે વિખેરી શક્યું નહોતું અને 2 કલાક પછી પણ માઇક્રોમીટર કદના ગૂચ્છો બાકી રહ્યા હતા.

પ્રોબ વિરુદ્ધ બાથ: કાર્યક્ષમતા અને પ્રક્રિયા નિયંત્રણ

પ્રોબ સોનિકેશનથી પેશીઓનું વધુ સારું વિઘટન અને નિષ્કર્ષણ

ઉચ્ચ તીવ્રતાનું કેવિટેશન પ્રોબ સોનિકેટરને વનસ્પતિની પેશીઓનું ઝડપથી વિઘટન કરવા, કોષભિત્તિઓ તોડવા અને દ્રાવકનો પ્રવેશ વધારવા સક્ષમ બનાવે છે.
Inguanez અને સહલેખકોએ પ્રોબ અને બાથ સોનિકેટરની સીધી સરખામણી કરી અને જાણવા મળ્યું કે:
Lemna minor માટે, 80% કંપવિસ્તાર પરના પ્રોબ સોનિકેશનથી બાથ સોનિકેશન કરતાં 1.5–1.8× વધુ પ્રોટીન મળ્યું હતું.
ઓછા સમયની પરંતુ વધુ તીવ્ર સારવારથી અસર વધી હતી, જે શક્તિ ઘનત્વના ફાયદાને સ્પષ્ટ કરે છે.

આ નેનોકણોના વિખેરણમાં જોવા મળતા સિદ્ધાંતો સાથે સુસંગત છે: પ્રોબ પ્રણાલીઓ કણો વચ્ચેના પ્રબળ આકર્ષણને તોડવા માટે પૂરતું યાંત્રિક બળ ઉત્પન્ન કરે છે અને જ્યાં બાથ નિષ્ફળ જાય છે ત્યાં ગૂચ્છોનું નોંધપાત્ર વિખેરણ કરે છે.

પ્રોબ પ્રણાલીઓમાં સૂક્ષ્મ ગોઠવણીવાળું નિયંત્રણ
પ્રોબ સોનિકેટર નીચેના પરિમાણોની ચોક્કસ ગોઠવણી કરવાની સુવિધા આપે છે:

• કંપવિસ્તાર (કેવિટેશનની તીવ્રતા નિયંત્રિત કરે છે),
• પલ્સ મોડ (તાપીય વ્યવસ્થાપન),
• નિમજ્જનની ઊંડાઈ,
• સમય અને આપવામાં આવતી ઊર્જા.

આવા પરિમાણો યાંત્રિક કર્તન અને નિષ્કર્ષણનાં પરિણામો પર સીધી અસર કરે છે.
બાથ પ્રણાલીઓમાં આ સ્તરનું નિયંત્રણ હોતું નથી. નમૂનાના સ્થાનમાં થોડા મિલીમીટરનો પણ ફેરફાર કેવિટેશનના સંપર્કમાં મોટો બદલાવ લાવી શકે છે, જેના કારણે પુનરુત્પાદકતા નબળી રહે છે.

નમૂનાનું કદ, નમૂના પ્રક્રિયા ક્ષમતા અને પ્રક્રિયાનું પ્રમાણ વધારવાની ક્ષમતા

પ્રોબ સોનિકેશન
કોઈપણ કદના નમૂના માટે આદર્શ: જ્યાં નિર્ધારિત પ્રતિક્રિયા વિસ્તારમાં ઊંચું ઊર્જા ઘનત્વ આપવું જરૂરી હોય ત્યાં અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોબ ઉત્તમ કામગીરી કરે છે. મોટા સોનોટ્રોડ અને સતત કામગીરી માટે ફ્લો સેલનો ઉપયોગ કરીને ઔદ્યોગિક સ્તર સુધી પ્રક્રિયાનું પ્રમાણ કાર્યક્ષમ અને વિશ્વસનીય રીતે વધારી શકાય છે.

પ્રોબ પ્રકારના અલ્ટ્રાસોનિકેશનથી આશરે 120 J/g (થર્મોસેટ્સ) અને 950 J/mL (થર્મોપ્લાસ્ટિક્સ) જેટલા ઊર્જા ઘનત્વે નેનોકણોનું સંપૂર્ણ વિખેરણ શક્ય બન્યું હતું – બાથથી આ સ્તરો હાંસલ કરવા અશક્ય છે. (Windey et al., 2023)

બાથ સોનિકેશન
ઓછી ઊર્જાની જરૂર હોય તેવા ઉપયોગો માટે (દા.ત., વાયલ સાફ કરવા અથવા દ્રાવકોમાંથી વાયુ દૂર કરવા) બાથ અનુકૂળ છે, પરંતુ નમૂનાનું કદ વધતાં ઊર્જા ઝડપથી વિખેરાઈ જતી હોવાથી, તે:

• સ્નિગ્ધ અથવા ઘટ્ટ નમૂનાઓની પ્રક્રિયામાં મુશ્કેલી અનુભવે છે,
• અસમાન કેવિટેશન દર્શાવે છે,
• નાના કદથી આગળ અસરકારક રીતે પ્રક્રિયાનું પ્રમાણ વધારી શકતાં નથી.

તેથી, ઔદ્યોગિક સમાનાંગીકરણ અને નિષ્કર્ષણની કાર્યપ્રણાલીઓ માટે બાથ ભાગ્યે જ પસંદ કરવામાં આવે છે.

પુનરુત્પાદકતા અને વિશ્લેષણાત્મક અસરો

પ્રોબ સોનિકેટર નોંધપાત્ર રીતે વધુ પુનરુત્પાદક ઊર્જા પુરવઠો આપે છે, જે વિશ્વસનીય જથ્થાત્મક નિષ્કર્ષણ શક્ય બનાવે છે – મેટાબોલોમિક્સ, ફિનોલિક પરીક્ષણો અને પ્રોટીન નિર્ધારણમાં આ અત્યંત જરૂરી છે.
બાયોમાસના અભ્યાસમાં, પ્રોબ પ્રકારના સોનિકેટરથી સોનિકેશન કરેલા નમૂનાઓમાં સતત નીચેનું જોવા મળ્યું હતું:

• ઓછો વિચરણાંક (RSD),
• વધુ અનુમાન કરી શકાય તેવી નિષ્કર્ષણ ઉપજ,
• સમય/કંપવિસ્તાર અને નિષ્કર્ષણથી મળતા ઉત્પાદન વચ્ચે વધુ સ્પષ્ટ સહસંબંધો.

બાથના ઉપયોગથી વધુ પરિવર્તનશીલતા જોવા મળી હતી, જે ચોકસાઈની જરૂર હોય તેવી વિશ્લેષણાત્મક કાર્યપ્રણાલીઓ માટે તેમની અયોગ્યતાને વધુ સમર્થન આપે છે.

બેચ અથવા ઇનલાઇન સોનિકેશન માટે ઉચ્ચ શક્તિવાળા પ્રોબ સાથેનું 1000 વોટનું પ્રોબ સોનિકેટર UIP1000hdT