אולטרסוניקה: יישומים ותהליכים
אולטרה סאונד היא שיטת עיבוד מכנית היוצרת קוויטציה אקוסטית וכוחות פיזיקליים אינטנסיביים ביותר. לכן, אולטרסוניקה משמשת ליישומים רבים כגון ערבוב, הומוגניזציה, כרסום, פיזור, תחליב, מיצוי, degassing, ותגובות סונו-כימיות.
להלן, תוכלו ללמוד הכל על יישומים קוליים טיפוסיים ותהליכים.
שמאחד אולטרסאונד
הומוגנייזרים על-קוליים מפחיתים חלקיקים קטנים בנוזל כדי לשפר את האחידות ואת יציבות הפיזור. החלקיקים (פאזת הפיזור) יכולים להיות מוצקים או טיפות נוזליות המרחפות בפאזה נוזלית. הומוגניזציה קולית יעילה מאוד להפחתת חלקיקים רכים וקשים. Hielscher מייצרת ultrasonicators עבור הומוגניזציה של כל נפח נוזלי עבור אצווה או עיבוד מוטבע. התקנים על-קוליים מעבדתיים יכולים לשמש לנפחים מ-1.5 מ"ל עד כ-4 ליטר. התקנים תעשייתיים על-קוליים יכולים לעבד אצוות מ-0.5 עד כ-2000 ליטר או קצבי זרימה של 0.1 ליטר עד 20 מ"ק לשעה בפיתוח תהליכים ובייצור מסחרי.
לחץ כאן כדי לקרוא עוד על homogenizing קולי!
אולטראסוניות פיזור ו Dagglomeration
הפיזור וההתפרקות של מוצקים לנוזלים הוא יישום חשוב של אולטראסוקטורים מסוג גשושית. קוויטציה קולית / אקוסטית יוצרת כוחות גזירה גבוהים השוברים את אגגלומרטים של חלקיקים לחלקיקים בודדים, מפוזרים בודדים. ערבוב אבקות לנוזלים הוא שלב נפוץ בניסוח מוצרים שונים, כגון צבע, לכה, מוצרים קוסמטיים, מזון ומשקאות או חומרי ליטוש. החלקיקים הבודדים מוחזקים יחד על ידי כוחות משיכה בעלי אופי פיזיקלי וכימי שונים, כולל כוחות ואן-דר-ואלס ומתח פנים נוזלי. האולטרה-סוניקציה מתגברת על כוחות המשיכה הללו על מנת לנטרל ולפזר את החלקיקים במדיה נוזלית. עבור פיזור ו deagglomeration של אבקות בנוזלים, ultrasonication בעוצמה גבוהה היא חלופה מעניינת הומוגניזציה בלחץ גבוה, מערבלי גזירה גבוהה, טחנות חרוזים או רוטור-סטטור-מערבלים.
לחץ כאן כדי לקרוא עוד על פיזור ו deagglomeration קולי!
Ultrasonic תחליב
מגוון רחב של מוצרי ביניים וצריכה, כגון קוסמטיקה ותחליבי עור, משחות פרמצבטיות, לכות, צבעים וחומרי סיכה ודלקים מבוססים באופן מלא או חלקי על תחליבים. תחליבים הם פיזורים של שני שלבים נוזליים בלתי ניתנים להפרדה או יותר. אולטרסאונד אינטנסיבי מאוד מספק מספיק גזירה אינטנסיבית כדי לפזר פאזה נוזלית (פאזה מפוזרת) בטיפות קטנות בשלב שני (שלב רציף). באזור הפיזור, בועות קוויטציה מתפוצצות גורמות לגלי הלם אינטנסיביים בנוזל שמסביב וגורמות להיווצרות סילוני נוזלים במהירות נוזלית גבוהה (גזירה גבוהה). ניתן להתאים את האולטרה-סוניקציה במדויק לגודל תחליב המטרה המאפשר בכך ייצור אמין של מיקרו-תחליבים וננו-תחליבים.
לחץ כאן כדי לקרוא עוד על תחליב קולי!
The UIP1000hdT הוא 1000 וואט אולטרה-סוניקטור רב עוצמה ליישומי הומוגניזציה, כרסום ומיצוי.
Ultrasonic Wet-כרסום וחריטה
אולטראסוניזציה היא אמצעי יעיל לכרסום רטוב ומיקרו-טחינה של חלקיקים. בפרט לייצור של slurries בגודל סופר-דק, אולטרסאונד יש יתרונות רבים. הוא עדיף על ציוד הפחתה מסורתי, כגון: טחנות קולואידים (למשל טחנות כדור, טחנות חרוזים), טחנות דיסק או טחנות סילון. אולטרה-סוניקציה יכולה לעבד רפידות בריכוז גבוה ובצמיגות גבוהה – ובכך להפחית את הנפח לעיבוד. כמובן, כרסום קולי מתאים לעיבוד חומרים בגודל מיקרון וננו בגודל, כגון קרמיקה, פיגמנטים, בריום סולפט, סידן פחמתי או תחמוצות מתכת. במיוחד כשמדובר בננו-חומרים, האולטרה-סוניקציה מצטיינת בביצועים מכיוון שכוחות הגזירה בעלי ההשפעה הרבה שלה יוצרים ננו-חלקיקים קטנים באופן אחיד.
לחץ כאן כדי לקרוא עוד על טחינה רטובה קולי ומיקרו-טחינה!
TiO2 מיובש בריסוס לפני ואחרי כרסום קולי
התפוררות תאים על-קוליים וליזיס
טיפול אולטרה סאונד יכול לפורר סיבי, חומר צלולוסי לחלקיקים עדינים ולשבור את הקירות של מבנה התא. זה משחרר יותר של חומר תוך תאי, כגון עמילן או סוכר לתוך הנוזל. אפקט זה יכול לשמש תסיסה, עיכול ותהליכי המרה אחרים של חומר אורגני. לאחר כרסום וטחינה, ultrasonication עושה יותר של חומר תוך תאי למשל עמילן, כמו גם פסולת קיר התא זמין האנזימים להמיר עמילן לסוכרים. זה גם להגדיל את שטח הפנים חשוף האנזימים במהלך נזלת או saccharification. זה בדרך כלל להגדיל את המהירות ואת התשואה של תסיסה שמרים ותהליכי המרה אחרים, למשל כדי להגביר את ייצור האתנול מביומסה.
לחץ כאן כדי לקרוא עוד על ההתפוררות הקולית של מבנים תאיים!
מיצוי אולטראסוניות של בוטניקה
מיצוי של תרכובות ביו-אקטיביות המאוחסנות בתאים ובחלקיקים תת-תאיים הוא יישום נפוץ של אולטרסאונד בעוצמה גבוהה. מיצוי אולטראסוני משמש לבידוד מטבוליטים משניים (למשל, פוליפנולים), פוליסכרידים, חלבונים, שמנים אתריים וחומרים פעילים אחרים מהמטריצה התאית של צמחים ופטריות. מתאים למיצוי מים וממסים של תרכובות אורגניות, סוניקציה משפרת את התשואה של צמחים הכלולים בתוך צמחים או זרעים באופן משמעותי. מיצוי קולי משמש לייצור תרופות, nutraceuticals / תוספי תזונה, ניחוחות ותוספים ביולוגיים. אולטרסוניקה היא טכניקת מיצוי ירוקה המשמשת גם להפקת רכיבים ביו-אקטיביים בביו-רפינרים, למשל שחרור תרכובות יקרות ערך מזרמי תוצר לוואי שאינם מנוצלים שנוצרו בתהליכים תעשייתיים. אולטרה סאונד היא טכנולוגיה יעילה ביותר למיצוי בוטני במעבדה ובקנה מידה של ייצור.
לחצו כאן למידע נוסף על מיצוי על-קולי!
כור על-קולי עם 16,000 וואט לעיבוד נוזלים משופר באופן קולי.
יישום Sonochemical של אולטרסוניקה
Sonochemistry הוא היישום של אולטרסאונד לתגובות ותהליכים כימיים. המנגנון הגורם להשפעות סונוכימיות בנוזלים הוא תופעה של cavitation אקוסטי. ההשפעות הסונוכימיות לתגובות ולתהליכים כימיים כוללות עלייה במהירות התגובה או בתפוקה, צריכת אנרגיה יעילה יותר, שיפור ביצועים של זרזים להעברת פאזה, הפעלת מתכות ומוצקים או עלייה בתגובה של ריאגנטים או זרזים.
לחץ כאן כדי לקרוא עוד על תופעות sonochemical של אולטרסאונד!
Transesterification אולטרסאונד של שמן ביודיזל
אולטרה-סוניקציה מגבירה את מהירות התגובה הכימית ואת התפוקה של טרנסאסטריפיקציה של שמנים צמחיים ושומנים מן החי לביו-דיזל. זה מאפשר לשנות את הייצור מעיבוד אצווה לעיבוד זרימה רציף וזה מקטין את עלויות ההשקעה והתפעול. אחד היתרונות הגדולים של ייצור ביו-דיזל על-קולי הוא השימוש בשמני פסולת כגון שמני בישול משומשים ומקורות שמן אחרים באיכות ירודה. טרנסאסטריפיקציה קולית יכולה להמיר אפילו חומרי הזנה באיכות נמוכה לביו-דיזל באיכות גבוהה (חומצת שומן מתיל אסטר / FAME). ייצור ביו-דיזל משמנים צמחיים או שומנים מן החי, כרוך בטרנסאסטריפיקציה זרזית בסיס של חומצות שומן עם מתנול או אתנול כדי לתת את אסטרים מתיל או אתיל אסטרים מתאימים. אולטרה-סוניקציה יכולה להשיג תפוקת ביו-דיזל העולה על 99%. אולטרסאונד מקצר את זמן העיבוד ואת זמן ההפרדה באופן משמעותי.
לחץ כאן כדי לקרוא עוד על transesterification סייע באולטרסאונד של שמן לתוך ביו דיזל!
דה-גזה קולית ודה-אוורור של נוזלים
Degassing של נוזלים הוא יישום חשוב נוסף של ultrasonicators מסוג בדיקה. תנודות קוליות וקוויטציה גורמות להתלכדות של גזים מומסים בנוזל. כאשר בועות הגז הדקות מתלכדות, הן יוצרות בועות גדולות יותר אשר צפות במהירות אל פני השטח העליונים של הנוזל משם ניתן להסיר אותן. לפיכך, דה-גזה קולית ו deaeration יכול להפחית את רמת הגז המומס מתחת לרמת שיווי המשקל הטבעית.
לחץ כאן כדי לקרוא עוד על סילוק הגזים הקוליים של נוזלים!
חוט אולטרה סאונד, כבלי ניקוי הרצועה
ניקוי קולי הוא חלופה ידידותית לסביבה לניקוי חומרים רציפים, כגון חוט וכבל, סרט או צינורות. ההשפעה של הקוויטציה האולטרה-סונית רבת העוצמה מסירה משקעי סיכה כמו שמן או גריז, סבונים, סטארטים או אבק ממשטח החומר. Hielscher Ultrasonics מציעה מערכות על-קוליות שונות לניקוי מוטבע של פרופילים רציפים.
לחצו כאן למידע נוסף על ניקוי קולי של פרופילים רציפים!
תיצור איתנו קשר! / שאל אותנו!
מה הופך את הסוניקציה לשיטת עיבוד מעולה?
סוניקציה, או שימוש בגלי קול בתדר גבוה כדי להתסיס נוזלים, היא שיטת עיבוד יעילה ממגוון סיבות. הנה כמה סיבות לכך שסוניקציה בקצב של כ-20 קילו-הרץ יעילה במיוחד:
- קוויטציה: אחד המנגנונים העיקריים של הסוניקציה הוא יצירה וקריסה של בועות זעירות, תופעה הנקראת קוויטציה. ב-20kHz, גלי הקול נמצאים בדיוק בתדר הנכון כדי ליצור ולמוטט בועות ביעילות. קריסת הבועות הללו מייצרת גלי הלם באנרגיה גבוהה, שיכולים לפרק חלקיקים ולשבש תאים בנוזל המזוהם.
- תנודה ורטט: מלבד הקוויטציה האקוסטית שנוצרת, התנודה של הבדיקה העל-קולית יוצרת תסיסה נוספת וערבוב בנוזל, ובכך מקדמת העברת מסה ו/או דה-גז.
- חדירה: לגלי קול ב-20kHz יש אורך גל ארוך יחסית, מה שמאפשר להם לחדור עמוק לתוך נוזלים. קוויטציה אולטראסונית היא תופעה מקומית המופיעה בסביבת הגשושית הקולית. ככל שהמרחק הולך וגדל לגשושית, עוצמת הקוויטציה יורדת. עם זאת, סוניקציה ב-20kHz יכולה לטפל ביעילות בכמויות גדולות יותר של נוזלים, בהשוואה לסוניקציה בתדר גבוה יותר בעלת אורכי גל קצרים יותר ועשויה להיות מוגבלת יותר בעומק החדירה שלה.
- צריכת אנרגיה נמוכה: סוניקציה יכולה להתבצע עם צריכת אנרגיה נמוכה יחסית בהשוואה לשיטות עיבוד אחרות כגון הומוגניזציה בלחץ גבוה או ערבוב מכני. זה הופך אותה לשיטה חסכונית יותר באנרגיה וחסכונית יותר לעיבוד נוזלים.
- מדרגיות ליניארית: ניתן לשנות את קנה המידה של תהליכים על-קוליים ליניאריים לחלוטין לנפחים גדולים או קטנים יותר. זה הופך את התאמות התהליך בייצור לאמינות מכיוון שאיכות המוצר יכולה להישמר יציבה ברציפות.
באופן כללי, הכוחות האינטנסיביים של קוויטציה, צריכת אנרגיה נמוכה ומדרגיות תהליכים הופכים את הסוניקציה בתדר נמוך ובהספק גבוה לשיטה יעילה לעיבוד נוזלים.
עקרון עבודה ושימוש בעיבוד על-קולי
Ultrasonication היא טכנולוגיית עיבוד מסחרית, אשר אומצה על ידי תעשיות רבות לייצור בקנה מידה גדול. אמינות גבוהה וקנה מידה, כמו גם עלויות תחזוקה נמוכות ויעילות אנרגטית גבוהה הופכים את המעבדים העל-קוליים לחלופה טובה לציוד עיבוד נוזלים מסורתי. אולטרסאונד מציע הזדמנויות מרגשות נוספות: קוויטציה – האפקט העל-קולי הבסיסי – מניבה תוצאות ייחודיות בתהליכים ביולוגיים, כימיים ופיזיקליים. לדוגמה, פיזור ותחליב על-קוליים מייצרים בקלות פורמולציות יציבות בגודל ננו. גם בתחום המיצוי הבוטני, אולטרסאונד הוא טכניקה לא תרמית לבידוד תרכובות ביו-אקטיביות.
בעוד אולטרסאונד בעצימות נמוכה או בתדר גבוה משמש בעיקר לניתוח, בדיקות והדמיה לא הרסניות, אולטרסאונד בעוצמה גבוהה משמש לעיבוד נוזלים ומשחות, שם גלי אולטרסאונד אינטנסיביים משמשים לערבוב, תחליב, פיזור ודה-אגרגלומרציה, התפוררות תאים או השבתת אנזימים. כאשר מזמרים נוזלים בעוצמות גבוהות, גלי הקול מתפשטים דרך המדיה הנוזלית. התוצאה היא לסירוגין מחזורי לחץ גבוה (דחיסה) ולחץ נמוך (נדיר), עם קצבים בהתאם לתדר. במהלך מחזור הלחץ הנמוך, גלים על-קוליים בעצימות גבוהה יוצרים בועות ואקום קטנות או חללים בנוזל. כאשר הבועות מגיעות לנפח שבו הן כבר לא יכולות לספוג אנרגיה, הן קורסות באלימות במהלך מחזור לחץ גבוה. תופעה זו מכונה קוויטציה. במהלך הקריסה מגיעים באופן מקומי טמפרטורות גבוהות מאוד (כ-5,000K) ולחצים (כ-2,000 אטמטר). הקריסה של בועת הקוויטציה גורמת גם לסילונים נוזליים של מהירות של עד 280 מטר לשנייה.
קוויטציה קולית בנוזלים עלולה לגרום לדגה מהירה ומלאה; ליזום תגובות כימיות שונות על ידי יצירת יונים כימיים חופשיים (רדיקלים); להאיץ תגובות כימיות על ידי הקלה על ערבוב של מגיבים; לשפר את תגובות הפילמור והדה-פולימריזציה על ידי פיזור אגרגטים או על ידי שבירת קשרים כימיים לצמיתות בשרשראות פולימריות; להגדיל את שיעורי התחליב; לשפר את שיעורי הדיפוזיה; לייצר תחליבים מרוכזים מאוד או פיזורים אחידים של חומרים בגודל מיקרון או בגודל ננו; לסייע במיצוי של חומרים כגון אנזימים מתאי בעלי חיים, צמחים, שמרים או חיידקים; להסיר וירוסים מרקמה נגועה; ולבסוף, לשחוק ולפרק חלקיקים רגישים, כולל מיקרו-אורגניזמים. (ראה: קולדילוק 2002)
אולטרסאונד בעצימות גבוהה מייצר תסיסה אלימה בנוזלים בעלי צמיגות נמוכה, שניתן להשתמש בהם כדי לפזר חומרים בנוזלים. (ראה: אנסמינגר, 1988) בממשקים נוזליים/מוצקים או גז/מוצקים, הקריסה האסימטרית של בועות קוויטציה עלולה לגרום למערבולות קיצוניות המפחיתות את שכבת גבול הדיפוזיה, מגבירות את העברת מסת הסעה ומאיצות במידה ניכרת את הדיפוזיה במערכות שבהן ערבוב רגיל אינו אפשרי. (ראה: ניבורג, 1965)
כור על-קולי עם 4x 2000 וואט בדיקות (8kW) עבור תהליכים סונוכימיים.
סִפְרוּת
- Seyed Mohammad Mohsen Modarres-Gheisari, Roghayeh Gavagsaz-Ghoachani, Massoud Malaki, Pedram Safarpour, Majid Zandi (2019): Ultrasonic nano-emulsification – A review. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 52, 2019. 88-105.
- Suslick, Kenneth S.; Hyeon, Taeghwan; Fang, Mingming; Cichowlas, Andrzej A. (1995): Sonochemical synthesis of nanostructured catalysts. Materials Science and Engineering: A. Proceedings of the Symposium on Engineering of Nanostructured Materials. ScienceDirect 204 (1–2): 186–192.
- Brad W. Zeiger; Kenneth S. Suslick (2011): Sonofragmentation of Molecular Crystals. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 37, 14530–14533.
- 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.
- Ensminger, D. E. (1988): Acoustic and electroacoustic methods of dewatering and drying, in: Drying Tech. 6, 473 (1988).
- Kuldiloke, J. (2002): Effect of Ultrasound, Temperature and Pressure Treatments on Enzyme Activity an Quality Indicators of Fruit and Vegetable Juices; Ph.D. Thesis at Technische Universität Berlin (2002).
- Nyborg, W.L. (1965): Acoustic Streaming, Vol. 2B, Academic Press, New York (1965).
Hielscher אולטרסוניקה מייצרת homogenizers קולי ביצועים גבוהים מ מַעבָּדָה ל גודל תעשייתי.