પ્રવાહીઓમાં અલ્ટ્રાસોનિક કેવિટેશન

અલ્ટ્રાસોનિક કેવિટેશન એ ઉચ્ચ-તીવ્રતાવાળી અલ્ટ્રાસોનિક પ્રવાહી પ્રક્રિયાનું પ્રેરક બળ છે. જ્યારે શક્તિશાળી અલ્ટ્રાસાઉન્ડને પ્રવાહીમાં સંયોજિત કરવામાં આવે છે, ત્યારે વરાળના સૂક્ષ્મ પરપોટા બને છે, વધે છે અને પ્રચંડ રીતે તૂટી પડે છે. આ ધ્વનિક કેવિટેશન તીવ્ર સ્થાનિક કર્તન બળો, સૂક્ષ્મ જેટ, આઘાત તરંગો, દબાણમાં ફેરફારો અને સૂક્ષ્મ-મિશ્રણ અસરો ઉત્પન્ન કરે છે, જે સમરૂપીકરણ, વિખેરણ, ઇમલ્સીકરણ, નિષ્કર્ષણ, વાયુ દૂર કરવાની પ્રક્રિયા, કોષ વિઘટન અને સોનોકેમિકલ પ્રતિક્રિયાઓને વેગ આપી શકે છે.

Hielscher પ્રોબ-પ્રકારના સોનિકેટરો અલ્ટ્રાસોનિક ઊર્જાને સીધી પ્રવાહીઓ, નિલંબનો અને સ્લરીઓમાં પહોંચાડવા માટે નિયંત્રિત ધ્વનિક કેવિટેશનનો ઉપયોગ કરે છે. નાના પ્રયોગશાળાના નમૂનાઓથી લઈને સતત ઔદ્યોગિક પ્રવાહ-આધારિત ઉત્પાદન સુધી, Hielscher સિસ્ટમો પુનરુત્પાદનીય કેવિટેશન પરિણામો મેળવવા માટે કંપનવિસ્તાર, સોનોટ્રોડની ભૂમિતિ, દબાણ, તાપમાન, પ્રવાહ દર અને નિવાસ સમયને સમાયોજિત કરવાની સુવિધા આપે છે.

• પ્રયોગશાળાઓ માટે: નાના જથ્થામાં સોનિકેશનના પરિમાણો વિકસાવો અને શ્રેષ્ઠ બનાવો.
• પાઇલટ પ્લાન્ટ માટે: વાસ્તવિક પ્રક્રિયા પરિસ્થિતિઓમાં કેવિટેશનથી ચાલતી પ્રક્રિયાઓનું માન્યકરણ કરો.
• ઉત્પાદન માટે: અલ્ટ્રાસોનિક કેવિટેશનને બેચ, પુનઃપરિભ્રમણ અથવા સતત ઇનલાઇન પ્રક્રિયાઓ સુધી વિસ્તારો.

અલ્ટ્રાસોનિક કેવિટેશનનો કાર્યસિદ્ધાંત

પ્રવાહીઓનું ઉચ્ચ તીવ્રતાએ સોનિકેશન કરવામાં આવે ત્યારે, પ્રવાહી માધ્યમોમાં પ્રસરતા ધ્વનિ તરંગો વારાફરતી ઉચ્ચ-દબાણ (સંકોચન) અને નિમ્ન-દબાણ (વિરલન) ચક્રો ઉત્પન્ન કરે છે, જેમનો દર આવૃત્તિ પર આધારિત હોય છે. નિમ્ન-દબાણ ચક્ર દરમિયાન, ઉચ્ચ-તીવ્રતાવાળા અલ્ટ્રાસોનિક તરંગો પ્રવાહીમાં નાના શૂન્યાવકાશી પરપોટા અથવા ખાલી જગ્યાઓ ઉત્પન્ન કરે છે. જ્યારે પરપોટા એવા કદ સુધી પહોંચે છે કે તેઓ વધુ ઊર્જા શોષી શકતા નથી, ત્યારે તેઓ ઉચ્ચ-દબાણ ચક્ર દરમિયાન પ્રચંડ રીતે તૂટી પડે છે. આ ઘટનાને કેવિટેશન કહેવામાં આવે છે. અંદરની તરફ ધસી પડવાની આ ઘટના દરમિયાન સ્થાનિક સ્તરે અત્યંત ઊંચાં તાપમાન (આશરે 5,000K) અને દબાણ (આશરે 2,000atm) પ્રાપ્ત થાય છે. કેવિટેશન પરપોટાના અંદરની તરફ ધસી પડવાથી 280m/s સુધીની ગતિવાળા પ્રવાહી જેટ પણ ઉત્પન્ન થાય છે.

ધ્વનિક કેવિટેશન (શક્તિશાળી અલ્ટ્રાસાઉન્ડ દ્વારા ઉત્પન્ન થતું) સ્થાનિક સ્તરે અત્યંત તીવ્ર પરિસ્થિતિઓ ઉત્પન્ન કરે છે, જેને સોનોમેકેનિકલ અને સોનોકેમિકલ અસરો કહેવામાં આવે છે. આ અસરોને કારણે, સોનિકેશન રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓને પ્રોત્સાહન આપે છે, જેના પરિણામે વધુ ઉપજ, વધુ ઝડપી પ્રતિક્રિયા, નવા પ્રતિક્રિયા માર્ગો અને સુધારેલી એકંદર કાર્યક્ષમતા મળે છે.

સોનિકેટરો અને ધ્વનિક કેવિટેશનના મુખ્ય ઉપયોગો

પ્રોબ પ્રકારના અલ્ટ્રાસોનિકેટરો, જે અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોબ તરીકે પણ ઓળખાય છે, પ્રવાહીઓમાં કાર્યક્ષમ રીતે તીવ્ર ધ્વનિક કેવિટેશન ઉત્પન્ન કરે છે. તેથી, વિવિધ ઉદ્યોગોમાં જુદા જુદા ઉપયોગો માટે તેમનો વ્યાપક ઉપયોગ થાય છે. પ્રોબ પ્રકારના અલ્ટ્રાસોનિકેટરો દ્વારા ઉત્પન્ન થતા ધ્વનિક કેવિટેશનના કેટલાક સૌથી મહત્વપૂર્ણ ઉપયોગોમાં નીચેનાનો સમાવેશ થાય છે:
 

1. સમરૂપીકરણ: અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોબ તીવ્ર કેવિટેશન ઉત્પન્ન કરી શકે છે, જે કંપન અને કતરણ બળોના ઊર્જાથી સઘન ક્ષેત્ર તરીકે વર્ણવાય છે. આ બળો ઉત્તમ મિશ્રણ, સંમિશ્રણ અને કણોના કદમાં ઘટાડો પ્રદાન કરે છે. અલ્ટ્રાસોનિક સમરૂપીકરણથી એકસરખી રીતે મિશ્રિત સસ્પેન્શનો બને છે. તેથી, સાંકડા વિતરણ વક્રો ધરાવતું સમરૂપ કોલોઇડલ સસ્પેન્શન બનાવવા માટે સોનિકેશનનો ઉપયોગ થાય છે.
2. નેનોકણોનું વિક્ષેપણ: નેનોકણોના વિક્ષેપણ, કણસમૂહોના વિખંડન અને ભીના પીસણ માટે અલ્ટ્રાસોનિકેટરોનો ઉપયોગ થાય છે. ઓછા આવર્તનવાળા અલ્ટ્રાસાઉન્ડ તરંગો પ્રભાવશાળી કેવિટેશન ઉત્પન્ન કરી શકે છે, જે કણસમૂહોને તોડે છે અને કણોનું કદ ઘટાડે છે. ખાસ કરીને પ્રવાહી જેટનું ઊંચું કતરણ પ્રવાહીમાં રહેલા કણોને પ્રવેગ આપે છે, જે એકબીજા સાથે અથડાય છે (આંતરકણીય અથડામણ), પરિણામે કણો તૂટે છે અને ઘસાઈ જાય છે. આનાથી કણોનું એકસરખું અને સ્થિર વિતરણ થાય છે, જે અવસાદન અટકાવે છે. નેનો ટેકનોલોજી, પદાર્થ વિજ્ઞાન અને ઔષધનિર્માણ સહિતનાં વિવિધ ક્ષેત્રોમાં આ અત્યંત મહત્વપૂર્ણ છે.
3. ઇમલ્સીકરણ અને મિશ્રણ: ઇમલ્શનો બનાવવા અને પ્રવાહીઓને મિશ્રિત કરવા માટે પ્રોબ પ્રકારના અલ્ટ્રાસોનિકેટરોનો ઉપયોગ થાય છે. અલ્ટ્રાસોનિક ઊર્જાથી કેવિટેશન થાય છે, એટલે કે સૂક્ષ્મ પરપોટાનું નિર્માણ અને ધ્વંસ થાય છે, જે તીવ્ર સ્થાનિક કતરણ બળો ઉત્પન્ન કરે છે. આ પ્રક્રિયા પરસ્પર અમિશ્રણીય પ્રવાહીઓના ઇમલ્સીકરણમાં મદદ કરે છે અને સ્થિર તથા સૂક્ષ્મ રીતે વિક્ષેપિત ઇમલ્શનો બનાવે છે.
4. નિષ્કર્ષણ: કેવિટેશનજન્ય કતરણ બળોને કારણે, અલ્ટ્રાસોનિકેટરો કોષીય રચનાઓને વિઘટિત કરવામાં અને ઘન તથા પ્રવાહી વચ્ચે દ્રવ્ય સ્થાનાંતરણ સુધારવામાં અત્યંત કાર્યક્ષમ છે. તેથી, ઉચ્ચ ગુણવત્તાવાળા વનસ્પતિ અર્કના ઉત્પાદન માટે જૈવસક્રિય સંયોજનો જેવા અંતઃકોષીય પદાર્થોને મુક્ત કરવા અલ્ટ્રાસોનિક નિષ્કર્ષણનો વ્યાપક ઉપયોગ થાય છે.
5. વાયુ દૂર કરવો અને હવા દૂર કરવી: પ્રવાહીઓમાંથી વાયુના પરપોટા અથવા ઓગળેલા વાયુઓ દૂર કરવા માટે પ્રોબ પ્રકારના અલ્ટ્રાસોનિકેટરોનો ઉપયોગ થાય છે. અલ્ટ્રાસોનિક કેવિટેશનનો ઉપયોગ વાયુના પરપોટાના એકત્રીકરણને પ્રોત્સાહન આપે છે, જેથી તેઓ મોટા થાય છે અને તરતા તરતા પ્રવાહીની ટોચ પર આવે છે. અલ્ટ્રાસોનિક કેવિટેશન વાયુ દૂર કરવાની પ્રક્રિયાને ઝડપી અને કાર્યક્ષમ બનાવે છે. પેઇન્ટ, હાઇડ્રોલિક પ્રવાહીઓ અથવા ખાદ્ય અને પીણાંની પ્રક્રિયા જેવા વિવિધ ઉદ્યોગોમાં આ મૂલ્યવાન છે, જ્યાં વાયુઓની હાજરી ઉત્પાદનની ગુણવત્તા અને સ્થિરતા પર નકારાત્મક અસર કરી શકે છે.
6. સોનોકેટાલિસિસ: અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોબનો ઉપયોગ સોનોકેટાલિસિસ માટે કરી શકાય છે. આ પ્રક્રિયામાં રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓને વેગ આપવા માટે ધ્વનિક કેવિટેશનને ઉદ્દીપકો સાથે સંયોજિત કરવામાં આવે છે. અલ્ટ્રાસોનિક તરંગો દ્વારા ઉત્પન્ન થતું કેવિટેશન દ્રવ્ય સ્થાનાંતરણ સુધારે છે, પ્રતિક્રિયાના દર વધારે છે અને મુક્ત મૂળકોના ઉત્પાદનને પ્રોત્સાહન આપે છે, જેના પરિણામે વધુ કાર્યક્ષમ અને પસંદગીયુક્ત રાસાયણિક રૂપાંતરણો થાય છે.
7. નમૂનાની તૈયારી: પ્રોબ-પ્રકારના અલ્ટ્રાસોનિકેટરોનો ઉપયોગ સામાન્ય રીતે પ્રયોગશાળાઓમાં નમૂનાની તૈયારી માટે કરવામાં આવે છે. તેમનો ઉપયોગ કોષો, પેશીઓ અને વાયરસ જેવા જૈવિક નમૂનાઓને સમાનાંગી બનાવવા, તેમના સમૂહોને છૂટા પાડવા અને તેમનું નિષ્કર્ષણ કરવા માટે થાય છે. પ્રોબ દ્વારા ઉત્પન્ન થતી અલ્ટ્રાસોનિક ઊર્જા કોષપટલોને તોડે છે, જેથી કોષીય ઘટકો મુક્ત થાય છે અને આગળનું વિશ્લેષણ સરળ બને છે.
8. વિઘટન અને કોષ ભંજન: પ્રોબ-પ્રકારના અલ્ટ્રાસોનિકેટરોનો ઉપયોગ અંતઃકોષીય ઘટકોનું નિષ્કર્ષણ, સૂક્ષ્મજીવોનું નિષ્ક્રિયકરણ અથવા વિશ્લેષણ માટે નમૂનાની તૈયારી જેવા વિવિધ હેતુઓ માટે કોષો અને પેશીઓનું વિઘટન અને ભંજન કરવા માટે થાય છે. ઉચ્ચ-તીવ્રતાવાળા અલ્ટ્રાસોનિક તરંગો અને તેમના દ્વારા ઉત્પન્ન થતું કેવિટેશન યાંત્રિક તણાવ અને કર્તન બળો પેદા કરે છે, જેના પરિણામે કોષીય રચનાઓનું વિઘટન થાય છે. જૈવિક સંશોધન અને તબીબી નિદાનમાં, પ્રોબ-પ્રકારના અલ્ટ્રાસોનિકેટરોનો ઉપયોગ કોષલયન માટે થાય છે. આ પ્રક્રિયામાં કોષોને તોડીને તેમના અંતઃકોષીય ઘટકો મુક્ત કરવામાં આવે છે. અલ્ટ્રાસોનિક ઊર્જા કોષભિત્તિઓ, પટલો અને કોષાંગોનું ભંજન કરે છે, જેનાથી પ્રોટીન, DNA, RNA અને અન્ય કોષીય ઘટકોનું નિષ્કર્ષણ શક્ય બને છે.

 
આ પ્રોબ-પ્રકારના અલ્ટ્રાસોનિકેટરોના કેટલાક મુખ્ય ઉપયોગો છે, પરંતુ આ ટેક્નોલોજીના અન્ય ઉપયોગોની શ્રેણી હજી પણ વધુ વ્યાપક છે. તેમાં ઔષધનિર્માણ, ખાદ્ય પ્રસંસ્કરણ, જૈવપ્રૌદ્યોગિકી અને પર્યાવરણ વિજ્ઞાન જેવા વિવિધ ઉદ્યોગોમાં સોનોકેમિસ્ટ્રી, કણોના કદમાં ઘટાડો (ભીનું પીસવું), બોટમ-અપ કણ સંશ્લેષણ અને રાસાયણિક પદાર્થો તથા સામગ્રીઓનું સોનો-સંશ્લેષણ સામેલ છે.

પાણીમાં ગ્રેફાઇટના પતરના સોનો-યાંત્રિક સ્તરવિભાજનને દર્શાવતી ફ્રેમોની ઊંચી ગતિવાળી શ્રેણી (a થી f સુધી), જે 3-mm સોનોટ્રોડ ધરાવતા 200W અલ્ટ્રાસોનિકેટર UP200S નો ઉપયોગ કરીને મેળવવામાં આવી છે. તીરો કણો જ્યાંથી વિભાજિત થાય છે તે સ્થાન દર્શાવે છે, જ્યાં કેવિટેશનના પરપોટા તિરાડમાં પ્રવેશે છે.
© Tyurnina et al. 2020

નીચેનું કોષ્ટક અમારા અલ્ટ્રાસોનિકેટરોની અંદાજિત પ્રસંસ્કરણ ક્ષમતાનો સંકેત આપે છે:

પ્રવાહીમાં ધ્વનિક કેવિટેશનનો વિડિયો

નીચેનો વિડિયો પાણીથી ભરેલા કાચના સ્તંભમાં અલ્ટ્રાસોનિકેટર UIP1000hdT ના કાસ્કેટ્રોડ પર થતું ધ્વનિક કેવિટેશન દર્શાવે છે. કેવિટેશનના પરપોટા વધુ સ્પષ્ટ રીતે જોઈ શકાય તે માટે કાચના સ્તંભને નીચેથી લાલ પ્રકાશ વડે પ્રકાશિત કરવામાં આવ્યો છે.