פירוק אולטרסוני: הרטבה, המסה, פיזור
אינטגרטורים אולטרסוניים נמצאים בשימוש נרחב להרטבה, לפיזור או להמסה של חלקיקים ואבקות בנוזלים. מכשירים אולטרסוניים בעלי ביצועים גבוהים יוצרים כוחות גזירה עזים, השוברים ומנפצים אגרגטים, אגלומרטים וחלקיקים ראשוניים לגודל מיקרוסקופי או ננומטרי. העיבוד האחיד של החלקיקים בשדה הקוויטציה האקוסטית מניב התפלגות חלקיקים צרה ופני שטח אחידים של החלקיקים.
מפרקים אולטרסוניים ויישומיהם
מפרקים אולטרסוניים מפעילים כוחות גזירה עזים, היוצרים את ההשפעה הנדרשת על מוצקים כגון חלקיקים, גבישים וסיבים כדי לפרק אותם ולהקטין אותם לגודל היעד, למשל לגודל מיקרוני או ננומטרי. בהשוואה לשיטות פירוק חלופיות כגון מערבלי להבים בעלי כוחות גזירה גבוהים, הומוגנייזרים בלחץ גבוה, טחנות חרוזים, מיקרופלואידייזרים וכדומה, מפרקים אולטרסוניים מציעים כמה יתרונות משמעותיים.
היתרונות של מפרקים אולטרסוניים
- קוויטציה וגזירה בעוצמה גבוהה
- עיבוד אחיד של חלקיקים
- ריכוזי מוצקים גבוהים
- ללא פיות / ללא סתימות
- אין צורך במדיית טחינה (כלומר חרוזים)
- יכולת הגדלת קנה מידה באופן ליניארי
- הפעלה קלה ובטוחה
- קל לניקוי
- חסכוני בזמן ובאנרגיה
כורים אולטרסוניים עם זרימה רציפה לייצור תרחיפי ננו־חלקיקים בקו תעשייתי.
המערבולות העזות הנוצרות עקב סוניקציה מגבירות את מעבר המסה בין פאזות ובכך מקדמות המסה של אבקות או תגובות כימיות הטרוגניות. הדבר הופך מפרקים אולטרסוניים לכלי המועדף להעצמת תהליכים כגון טחינה, פיזור, תחלוב והמסה.
קראו עוד על העצמה אולטרסונית של תגובות כימיות (סונוכימיה)!
יישומים של מפרקים אולטרסוניים
- טחינה וכתישה
- פירוק אגלומרטים ופיזור
- תחלוב
- המסה של אבקות
- שיפור מעבר המסה
- תגובות סונוכימיות
מפרקים אולטרסוניים להקטנת גודל החלקיקים
מפרקים אולטרסוניים משמשים להקטנת גודל החלקיקים ולפיזור חלקיקים, בין שמדובר בריסוק ממשי של חלקיקים ראשוניים (המכונה טחינה) ובין שמדובר בפירוק של אגלומרטים (המכונה פירוק אגלומרטים / פיזור).
התפלגות גודל החלקיקים ותמונות SEM של Mg2Si לפני טחינה אולטרסונית (UM) ואחריה. (a) התפלגות גודל החלקיקים; (b) תמונת SEM לפני טחינה אולטרסונית; (c) תמונת SEM לאחר טחינה אולטרסונית ב־50% PVP–50% EtOH במשך 2 h.
מקור: Marquez-Garcia et al. 2015
מפרקים אולטרסוניים לטחינה ולכתישה
קוויטציה הנוצרת באמצעות אולטרסאונד יוצרת כוחות גזירה עזים, ובעקבותיהם התנגשויות בין חלקיקים. המוצקים בתרחיף משמשים כתווך טחינה (בדומה לחרוזים או לכדוריות במטחנת חרוזים / כדוריות): זרמי הנוזל הנוצרים עקב הקוויטציה מאיצים אותם ומגיעים בקלות למהירויות של עד 180m/s. כאשר החלקיקים מתנגשים זה בזה במהירות כה עצומה, הם נשברים ומתנפצים לשברים בגודל מיקרוני וננומטרי. מפרקים אולטרסוניים יכולים לשבור אפילו חלקיקים ראשוניים. כורים אולטרסוניים בעלי תא זרימה מבטיחים טיפול אחיד בכל החלקיקים, כך שטחינה אולטרסונית מניבה התפלגות צרה של גודל החלקיקים.
לחצו כאן למידע נוסף על טחינה אולטרסונית!
מפרקים אולטרסוניים לפירוק אגלומרטים ולפיזור
ניתן לשלוט בפרמטרים של התהליך האולטרסוני בדיוק רב מאוד, כך שמפרקים אולטרסוניים יכולים לטחון חלקיקים ראשוניים כאשר מפעילים אמפליטודות גבוהות ולחץ מוגבר. מצד שני, ניתן להפעיל מערכות פירוק אולטרסוניות גם באמפליטודות נמוכות יותר ובתנאים מתונים יותר, כך שמבנה החלקיקים ופני השטח שלהם נותרים שלמים, אך האגלומרטים מתפרקים והחלקיקים הבודדים מתפזרים באופן אחיד בתרחיף.
לחצו כאן למידע נוסף על פירוק אגלומרטים ופיזור באמצעות אולטרסאונד!
מפרקים אולטרסוניים לתחלוב
כאשר שני נוזלים שאינם מתערבבים זה בזה (למשל, מים ושמן) עוברים סוניקציה, הקוויטציה האולטרסונית מפרקת את הטיפות – וכך נוצרות טיפות קטנות מאוד של שתי הפאזות שאינן מתערבבות זו בזו, ולאחר מכן הן מעורבבות יחד. מכיוון שמפרקים אולטרסוניים מייצרים בקלות טיפות בגודל ננומטרי, תחליבים מיוצבים המיוצרים באמצעות אולטרסאונד מפגינים יציבות לטווח ארוך ומראה צלול ושקוף.
לחצו כאן לקריאה נוספת על ננו־תחלוב באמצעות אולטרסאונד!
מפרקים אולטרסוניים להמסה
מפרקים אולטרסוניים משמשים להמסת אבקה וטבליות בהליך מהיר, פשוט ובטוח. קוויטציה הנוצרת באמצעות אולטרסאונד שוחקת את פני השטח של מוצקים ומעבירה את השברים שנשחקו אל הנוזל, וכך יוצרת תמיסה הומוגנית.
בתעשיית התרופות, המסת טבליות היא משימה יומיומית, למשל לצורכי אנליזה. כאשר טבליות נחשפות לסביבה מימית, הטבלייה מתמוססת באיטיות בתהליך הנמשך זמן רב מאוד. גם כאשר משתמשים בבוחש רגיל או במערבל להבים, ההמסה המלאה של טבליות עדיין נמשכת זמן רב. הקוויטציה האולטרסונית וכוחות הגזירה העזים באופן יוצא דופן שהיא יוצרת מנתקים את החלקיקים מהטבלייה ומעבירים אותם אל נוזל הדילול, וכך שומרים על מעבר מסה מתמשך בין פני שטח הטבלייה לבין נוזל דילול טרי ובלתי רווי. הדבר הופך את ההמסה האולטרסונית לתהליך מהיר ויעיל ביותר, המסייע להאיץ את התמוססות התרופה.
לחצו כאן לקריאה נוספת על המסה אולטרסונית!
כיצד פועל מפרק מכני?
מפרקים אולטרסוניים מעבדתיים פועלים על פי אותו עיקרון מכני כמו מפרקים תעשייתיים. מערכות ערבוב המבוססות על מפרקים מפרקות אגלומרטים ואגרגטים, ממיסות חומר מוצק או מפזרות חלקיקים מוצקים בתערובות נוזליות. בפירוק אולטרסוני נעשה שימוש בגשוש אולטרסוני בעוצמה גבוהה בתוך מכל אצווה או בכור תא זרימה המותקן בקו התהליך. הגשוש (הסונוטרודה) של המפרק האולטרסוני רוטט בנוזל בתדירות גבוהה מאוד ויוצר בו קוויטציה אולטרסונית עזה. כל קריסה של בועת קוויטציה יוצרת כוחות גזירה חזקים, השוברים אגלומרטים, אגרגטים ואפילו חלקיקים ראשוניים. כמו כן, קוויטציה אולטרסונית יוצרת זרימה מהירה הנגרמת מקוויטציה, במהירות של עד 1000km/h. סילוני הנוזל הנוצרים עקב הקוויטציה פוגעים באגלומרטים של חלקיקים, קורעים דופנות תאים, משפרים את מעבר החומר בתוך התרחיף ומפזרים מוצקים בכל נפח הנוזל. בשדה הקוויטציה האולטרסונית, הלחץ מתחלף במהירות ובאופן חוזר בין ואקום ללחץ של עד 1000bar. מערבל סיבובי בעל 4 להבי ערבוב היה צריך לפעול במהירות מדהימה של 300,000 סל״ד כדי להשיג אותה תדירות של מחזורי לחץ מתחלפים. מערבלים סיבוביים רגילים ומערבלי רוטור–סטטור אינם יוצרים כמות משמעותית של קוויטציה בשל מגבלת המהירות שלהם.
מתעניינים בסינתזה של ננו-חלקיקים בגישת מלמטה למעלה? – לחצו כאן לקריאה נוספת!
מפרק אולטרסוני UIP2000hdT לדיספרסיות חלקיקים בכור מפלדת אל-חלד
מפרקים אולטרסוניים מעבדתיים
מכשירים אולטרסוניים מסוג גשוש הם כלי שימושי מאוד בכל מעבדה. גשוש אולטרסוני (המכונה גם סונוטרודה) הוא מוט טיטניום בעל גאומטריה פשוטה, קל לניקוי, המעביר תנודות אולטרסוניות לתוך נוזל. Hielscher מייצרת גשושים וקצוות אולטרסוניים במגוון רחב של גדלים. לפירוק המוצקים הנפוץ ביותר במעבדה, גשושים אולטרסוניים בקוטר קצה של 3, 7, 14 או 22mm שימושיים מאוד. זמינים גם גשושים בגדלים אחרים וגשושים אולטרסוניים במידות מותאמות אישית. מכשירים אולטרסוניים טיפוסיים לפירוק מעבדתי מספקים הספק אולטרסוני של 100 עד 400 ואט.
מפרקים אולטרסוניים תעשייתיים
המפרקים התעשייתיים של Hielscher הם מעבדים אולטרסוניים בהספק גבוה, המיועדים לפירוק רציף בתנאי עבודה קשים של זרמי תרחיף גדולים. מערכות תעשייתיות אלה יכולות להתמודד בקלות עם ריכוזי מוצקים גבוהים. גשושים אולטרסוניים תעשייתיים מצוידים באוגן שניתן להתקין על מכלי פלדה, כורי זכוכית או מכלי פלסטיק בכל כיוון. העלאת הלחץ בכלי הסוניקציה או בתא הזרימה מגבירה את הקוויטציה האקוסטית ובכך גם את תהליך הסוניקציה. ציוד אולטרסוני טיפוסי לפירוק תעשייתי מספק הספק אולטרסוני של 1000 עד 16,000 ואט לכל סונוטרודה.
ענפי תעשייה שבהם נעשה שימוש נרחב בפירוק אולטרסוני:
- פיזור, המסה וערבוב של פורמולציות מוצק/נוזל
- מדע החומרים
- הכנת דגימות לפני אנליזה
- יישומי ננו-חלקיקים
- פונקציונליזציה של חלקיקים
- תגובות העברת פאזה
- התגבשות / שיקוע
- עיבוד מזון
- תעשיית הנייר
- עיכול ביומסה
כיצד לרכוש את המפרק האולטרסוני המתאים?
Hielscher Ultrasonics היא יצרנית בעלת ניסיון רב שנים של מפרקים אולטרסוניים בעלי ביצועים גבוהים, המשמשים לפיזור ולשבירה של חלקיקים או להמסת אבקות בנוזלים. כמובילת שוק, Hielscher מתכננת, מייצרת ומשווקת מפרקים והומוגנייזרים אולטרסוניים, ממערכות מעבדתיות ושולחניות ועד למערכות בקנה מידה תעשייתי מלא.
אנו מסייעים לכם לענות על השאלות הבאות כדי למצוא את המפרק האולטרסוני המתאים ביותר ליישום ולצרכים שלכם:
- מהו היישום המיועד שלכם?
- מהו הנפח הטיפוסי שיש לעבד?
- מהם הגורמים הקריטיים בתהליך?
- מהם תקני האיכות שיש לעמוד בהם?
הצוות המיומן והמנוסה שלנו יסייע לכם בכל שאלה ובתכנון התהליך שלכם. Hielscher Ultrasonics מציעה ייעוץ מעמיק בנוגע לתהליכים אולטרסוניים כדי לעזור ללקוחותינו למצוא את המכשיר האולטרסוני האופטימלי. אך השירות של Hielscher אינו מסתיים כאן: אנו מדריכים לקוחות במתקנים שלהם או במעבדת התהליכים האולטרסוניים ובמרכז הטכני שלנו, כדי לסייע להם בפיתוח התהליך, באופטימיזציה ובהגדלת קנה המידה.
המעבדים האולטרסוניים התעשייתיים של Hielscher Ultrasonics מספקים בקלות משרעות גבוהות מאוד, הנדרשות לשבירת חלקיקים קשים ואגלומרטים או לעיבוד תרחיפים בעלי ריכוז מוצקים גבוה. ניתן להפעיל את המפרקים התעשייתיים של Hielscher במשרעות של עד 200µm ברציפות, בפעולה של 24/7. למשרעות גבוהות אף יותר, זמינות סונוטרודות אולטרסוניות המותאמות אישית. אביזרים נוספים, כגון קרני הגברה, תאי זרימה, כורי סוניקציה ומערכות סחרור חוזר מלאות, זמינים אף הם ומאפשרים להתאים את תצורת המערכת האולטרסונית לדרישות התהליך שלכם.
מפרקים אולטרסוניים ומכשירי המסה מתקדמים
Hielscher Ultrasonics מתמקדת במפרקים בעלי ביצועים גבוהים, עם ידידותיות למשתמש ברמה הגבוהה ביותר וחידושים טכנולוגיים מהמתקדמים ביותר. משמעות הדבר היא שהסטנדרטים של המפרקים המעבדתיים של Hielscher מותאמים יותר ויותר ליכולות החכמות של מכונות תעשייתיות. המשתמש יכול לשלוט במכשירים האולטרסוניים הדיגיטליים של Hielscher באמצעות שליטה מרחוק דרך דפדפן. תוכנת רישום הנתונים האוטומטית שומרת את כל הפרמטרים האולטרסוניים החשובים, כגון הספק נטו, הספק כולל, משרעת, טמפרטורה, לחץ, שעה ותאריך, כקובץ CSV בכרטיס SD מובנה. נוסף על כך, ניתן לתכנת את המפרק האולטרסוני לכיבוי אוטומטי לאחר פרק זמן מוגדר או לאחר הזנת כמות אנרגיה מסוימת, או לתכנת מצבי סוניקציה בפולסים. חיישני טמפרטורה ולחץ הניתנים לחיבור מאפשרים מעקב קפדני אחר תנאי הדגימה. מאחר שבקרת הטמפרטורה של חומרים רגישים לחום היא גורם מכריע באיכות תוצאות התהליך, Hielscher מציעה פתרונות שונים לשמירת טמפרטורת התהליך בטווח הטמפרטורות הרצוי.
הפונקציות המתקדמות של המכשירים האולטרסוניים של Hielscher מבטיחות את הרמה הגבוהה ביותר של בקרת תהליך, תוצאות סוניקציה אמינות וניתנות לשחזור, ידידותיות למשתמש ונוחות בעבודה.
המעבדים האולטרסוניים התעשייתיים של Hielscher Ultrasonics יכולים לספק משרעות גבוהות מאוד. ניתן להפעיל בקלות משרעות של עד 200µm ברציפות, בפעולה של 24/7. למשרעות גבוהות אף יותר, זמינות סונוטרודות אולטרסוניות המותאמות אישית. היכולת לעבוד במשרעות כה גבוהות מאפשרת ללקוחותינו לטחון ביעילות חלקיקים ראשוניים לגודל ננומטרי. העמידות של הציוד האולטרסוני של Hielscher מאפשרת פעולה של 24/7 בעומסי עבודה כבדים ובסביבות תובעניות.
קראו עוד על המסה אולטרסונית ועל מכשירי המסה אולטרסוניים!
איכות – תוצרת גרמניה
כעסק בבעלות משפחתית ובניהול משפחתי, Hielscher גאה באיכות הגבוהה של המעבדים האולטרסוניים שלה. כל המכשירים האולטרסוניים מתוכננים, מיוצרים ונבדקים במטה שלנו בטלטו ליד ברלין, גרמניה. העמידות של הציוד האולטרסוני של Hielscher מאפשרת פעולה של 24/7 בעומסי עבודה כבדים ובסביבות תובעניות.
תוכלו לרכוש מפרקים אולטרסוניים של Hielscher בכל הגדלים השונים, וטווח המחירים מאפשר למצוא מכשיר אולטרסוני במחיר נגיש המתאים לתקציב שלכם. מפירוק חלקיקים בבקבוקונים מעבדתיים קטנים ועד לפירוק תרחיפים בזרימה רציפה בייצור תעשייתי, ל-Hielscher Ultrasonics יש מפרק מתאים עבורכם! צרו איתנו קשר – נשמח להמליץ לכם על המכשיר האולטרסוני המתאים ביותר!
הטבלה שלהלן מציגה את 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 | אשכול של UIP16000 |
צרו איתנו קשר! / שאלו אותנו!
ספרות / מקורות
- Pohl M.; Schubert H. (2004): Dispersion and deagglomeration of nanoparticles in aqueous solutions. International Congress for Particle Technology PARTEC 2004; Nuremberg, Germany.
- Thomas Leong, Muthupandian Ashokkumar, Sandra Kentish(2011): The Fundamentals of Power Ultrasound. – A Review. Acoustics Australia, 54 – Vol. 39 August 2011.
- Karl A. Kusters, Sotiris E. Pratsinis, Steven G. Thoma, Douglas M. Smith (1994): Energy-size reduction laws for ultrasonic fragmentation. Powder Technology, Volume 80, Issue 3, September 1994. 253-263.
- Renata Tomczak-Wandzel, Svetlana Ofverstrom, Regimantas Dauknys, Krystyna Mędrzycka (2011): Effect of Disintegration Pretreatment of Sewage Sludge for Enhanced Anaerobic Digestion. ENVIRONMENTAL ENGINEERING The 8th International Conference May 19–20, 2011, Vilnius, Lithuania.