יישום אולטרסאונד בעוצמה גבוהה באמצעות קרניים אולטרסוניות

קרניים או גשושיות אולטרסוניות נמצאות בשימוש נרחב במגוון יישומים לעיבוד נוזלים, ובהם הומוגניזציה, פיזור, טחינה רטובה, תחלוב, מיצוי, פירוק, המסה וסילוק אוויר. הכירו את יסודות הקרניים האולטרסוניות, הגשושיות האולטרסוניות והיישומים שלהן.

קרן אולטרסונית לעומת גשושית אולטרסונית

לעיתים קרובות משתמשים במונחים קרן אולטרסונית וגשושית אולטרסונית לחלופין, והם מתייחסים למוט האולטרסוני שמעביר את גלי האולטרסאונד אל הנוזל. מונחים נוספים המשמשים לתיאור הגשושית האולטרסונית הם קרן אקוסטית, סונוטרודה, מוליך גלים אקוסטי או אצבע אולטרסונית. עם זאת, מבחינה טכנית יש הבדל בין קרן אולטרסונית לגשושית אולטרסונית.
הן הקרן והן הגשושית הן חלקים של מה שמכונה מכשיר אולטרסוני מסוג גשושית. הקרן האולטרסונית היא חלק המתכת של המתמר האולטרסוני, המעורר באמצעות תנודות הנוצרות באופן פיאזואלקטרי. הקרן האולטרסונית רוטטת בתדר מסוים, למשל 20kHz, כלומר 20,000 תנודות בשנייה. טיטניום הוא החומר המועדף לייצור קרניים אולטרסוניות בזכות תכונות העברת הקול המצוינות שלו, חוזק העייפות הגבוה שלו וקשיות פני השטח שלו.

הגשושית האולטרסונית נקראת גם סונוטרודה או אצבע אולטרסונית. זהו מוט מתכת, העשוי לרוב מטיטניום ומוברג אל הקרן האולטרסונית. הגשושית האולטרסונית היא חלק חיוני במעבד האולטרסוני, המעביר את גלי האולטרסאונד אל התווך העובר סוניקציה. גשושיות אולטרסוניות / סונוטרודות זמינות בצורות שונות, למשל חרוטיות, בעלות קצה ייעודי, הולכות וצרות או בצורת Cascatrode. אף שטיטניום הוא החומר הנפוץ ביותר לייצור גשושיות אולטרסוניות, קיימות גם סונוטרודות העשויות מפלדת אל־חלד, מקרמיקה, מזכוכית ומחומרים אחרים.

מאחר שהקרן והגשושית האולטרסוניות נתונות לדחיסה או למתיחה מתמדת במהלך הסוניקציה, לבחירת החומר שלהן יש חשיבות מכרעת. סגסוגת טיטניום באיכות גבוהה (דרגה 5) נחשבת למתכת האמינה, העמידה והיעילה ביותר לעמידה במאמצים, לשמירה על אמפליטודות גבוהות לאורך פרקי זמן ממושכים ולהעברת התכונות האקוסטיות והמכניות.

המסה היא יישום נפוץ של טיפול אולטרסוני. הסרטון מדגים המסה מהירה של גבישי סוכר במים באמצעות Hielscher UP200St.

מכשירים אולטרסוניים בעלי ביצועים גבוהים פועלים לרוב בטווח התדרים 20–30kHz. בתדר של 20 kHz, הגשושית האולטרסונית היא בדרך כלל מוט תהודה שאורכו מחצית מאורך הגל, המתפשט ומתכווץ ברציפות 20,000 פעמים בשנייה. תנועות ההתפשטות וההתכווצות מועברות כאולטרסאונד בעוצמה גבוהה אל תווך התהליך, כלומר זורם או תרחיף, לצורך ביצוע יישומים כגון

כיצד פועל אולטרסאונד בעוצמה גבוהה? – עקרון הפעולה של קוויטציה אקוסטית

ליישומים אולטרסוניים בעלי ביצועים גבוהים, כגון הומוגניזציה, הקטנת גודל חלקיקים, פירוק או יצירת פיזורים ננומטריים, מתמר אולטרסוני מייצר אולטרסאונד בעוצמה גבוהה ובתדר נמוך, המועבר אל נוזל באמצעות קרן וגשושית אולטרסוניות (סונוטרודה). אולטרסאונד בעוצמה גבוהה נחשב לאולטרסאונד בטווח של 16–30kHz. הגשושית האולטרסונית מתפשטת ומתכווצת, למשל בתדר של 20kHz, ובכך מעבירה לתווך 20,000 תנודות בשנייה, בהתאמה. כאשר הגלים האולטרסוניים עוברים בנוזל, מחזורים מתחלפים של לחץ גבוה (דחיסה) / לחץ נמוך (הקלשה / התפשטות) יוצרים חללים זעירים (בועות ריק), הגדלים לאורך כמה מחזורי לחץ. בשלב הדחיסה של הנוזל והבועות, הלחץ חיובי, ואילו שלב ההקלשה יוצר ריק (לחץ שלילי). במהלך מחזורי הדחיסה וההתפשטות, החללים בנוזל גדלים עד שהם מגיעים לגודל שבו אין ביכולתם לספוג עוד אנרגיה. בנקודה זו הם קורסים פנימה בעוצמה. קריסתם של חללים אלה גורמת להשפעות שונות עתירות אנרגיה, המוכרות כתופעת הקוויטציה האקוסטית / האולטרסונית. קוויטציה אקוסטית מתאפיינת במגוון השפעות עתירות אנרגיה, המשפיעות על נוזלים, על מערכות מוצק/נוזל וכן על מערכות גז/נוזל. האזור בעל צפיפות האנרגיה הגבוהה, או אזור הקוויטציה, מכונה אזור הנקודות החמות. צפיפות האנרגיה בו היא הגבוהה ביותר בסמוך לגשושית האולטרסונית, ופוחתת ככל שהמרחק מהסונוטרודה גדל. המאפיינים העיקריים של קוויטציה אולטרסונית כוללים טמפרטורות ולחצים גבוהים מאוד המופיעים באופן מקומי והפרשים תואמים בהם, מערבולות וזרימת נוזל. במהלך קריסת חללי הקוויטציה בנקודות החמות האולטרסוניות, ניתן למדוד טמפרטורות של עד 5000 קלווין, לחצים של עד 200 אטמוספרות וסילוני נוזל במהירות של עד 1000km/h. תנאים יוצאי דופן אלה, המתאפיינים בעוצמת אנרגיה גבוהה, תורמים להשפעות סונומכניות וסונוכימיות המעצימות תהליכים ותגובות כימיות בדרכים שונות.
ההשפעות העיקריות של טיפול באולטרסאונד על נוזלים ותרחיפים הן:

גזירה גבוהה: כוחות גזירה אולטרסוניים חזקים מפרקים נוזלים ומערכות נוזל־מוצק וגורמים לערבול עז, להומוגניזציה ולהעברת מסה.
פגיעה: סילוני נוזל וזרימה הנוצרים באמצעות קוויטציה אולטרסונית מאיצים מוצקים בנוזלים, דבר המוביל בהמשך להתנגשויות בין חלקיקים. כאשר חלקיקים מתנגשים במהירויות גבוהות מאוד, הם נשחקים, מתנפצים, נטחנים ומתפזרים באופן דק, לעיתים קרובות עד לגודל ננומטרי. בחומר ביולוגי כגון חומר צמחי, סילוני הנוזל המהירים ומחזורי הלחץ המתחלפים מפרקים את דופנות התאים ומשחררים את החומר התוך־תאי. הדבר מוביל למיצוי יעיל ביותר של תרכובות פעילות ביולוגית ולערבוב הומוגני של חומר ביולוגי.
ערבול: טיפול באולטרסאונד גורם למערבולות עזות, לכוחות גזירה ולתנועות זעירות בנוזל או בתרחיף. כך, סוניקציה תמיד מגבירה את העברת המסה ובכך מאיצה תגובות ותהליכים.

הומוגנייזרים אולטרסוניים ומערבלים בגזירה גבוהה משמשים כמעט בכל תעשיית עיבוד העובדת עם נוזלים או תרחיפים. כוחות הקוויטציה האולטרסונית העזים יוצרים ערבול עז, גזירה, שבירת חלקיקים והעברת מסה. כך, נוזלים עוברים הומוגניזציה, פיזור, תחלוב, מיצוי והמסה ו/או מתחילות תגובות כימיות. ככלל, טיפול באולטרסאונד הוא שיטה להעצמת תהליכים, המגדילה את התפוקה, משפרת את שיעורי ההמרה ומייעלת תהליכים.
יישומים אולטרסוניים נפוצים בתעשייה משמשים בענפים רבים בתחומי המזון והתרופות, הכימיקלים העדינים, האנרגיה והפטרוכימיה, המיחזור, בתי הזיקוק הביולוגיים ועוד, וכוללים את הבאים:

קרניים וגשושיות אולטרסוניות ליישומים בעלי ביצועים גבוהים

Hielscher Ultrasonics היא יצרנית ומפיצה בעלת ניסיון רב שנים של מכשירים אולטרסוניים בעוצמה גבוהה, המשמשים ברחבי העולם ליישומים תובעניים בתעשיות רבות.
עם מעבדים אולטרסוניים בכל הגדלים, מ־50 ואט ועד 16kW למכשיר, גשושיות בגדלים ובצורות שונים וריאקטורים אולטרסוניים בנפחים ובגאומטריות שונים, ל־Hielscher Ultrasonics יש הציוד המתאים להרכבת המערך האולטרסוני האידיאלי ליישום שלכם.
הטבלה שלהלן מספקת הערכה של כושר העיבוד המשוער של המכשירים האולטרסוניים שלנו:

נפח אצווה	ספיקת זרימה	מכשירים מומלצים
1 עד 500mL	10 עד 200mL/min	UP100H
10 עד 2000mL	20 עד 400mL/min	UP200Ht, UP400St
0.1 עד 20L	0.2 עד 4L/min	UIP2000hdT
10 עד 100L	2 עד 10L/min	UIP4000hdT
n.a.	10 עד 100L/min	UIP16000
n.a.	גבוהה יותר	מערך של UIP16000

צרו איתנו קשר! / שאלו אותנו!

נושאים קשורים

ספרות / מקורות

Kenneth S. Suslick, Yuri Didenko, Ming M. Fang, Taeghwan Hyeon, Kenneth J. Kolbeck, William B. McNamara, Millan M. Mdleleni, Mike Wong (1999): Acoustic Cavitation and Its Chemical Consequences. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, Vol. 357, Issue 1751, 1999. 335-353.
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.
Aharon Gedanken (2003): Sonochemistry and its application to nanochemistry. Current Science Vol. 85, No. 12 (25 December 2003), pp. 1720-1722.
Abdullah, C. S. ; Baluch, N.; Mohtar S. (2015): Ascendancy of ultrasonic reactor for micro biodiesel production. Jurnal Teknologi (Sciences & Engineering) 77:5; 2015. 155-161.