עיבוד אולטרסוני לנוזלים, לתרחיפים ולתגובות כימיות

סוניקציה היא שיטת עיבוד מכנית היוצרת קוויטציה אקוסטית וכוחות פיזיקליים עזים ביותר. לכן, אולטרסאונד משמש ליישומים רבים כגון ערבוב, הומוגניזציה, טחינה, פיזור, תחלוב, מיצוי, סילוק גזים ותגובות סונוכימיות.

מצאו את היישום שלכם בטבלה שלהלן, לחצו על הקישור ועברו ישירות לתהליך שמעניין אתכם! למדו כיצד סוניקציה משפרת את התהליך ואת יעילותו.

הומוגניזציה אולטרסונית

הומוגנייזרים אולטרסוניים מקטינים חלקיקים קטנים בנוזל כדי לשפר את האחידות ואת יציבות הפיזור. החלקיקים (הפאזה המפוזרת) יכולים להיות מוצקים או טיפות נוזל המרחפים בפאזה נוזלית. הומוגניזציה אולטרסונית יעילה מאוד בהקטנת חלקיקים רכים וקשים. Hielscher מייצרת מכשירים אולטרסוניים להומוגניזציה של כל נפח נוזל ולעיבוד באצוות או בקו הייצור. ניתן להשתמש במכשירים אולטרסוניים מעבדתיים לנפחים מ־1.5mL עד כ־4L. מכשירים אולטרסוניים תעשייתיים יכולים לעבד אצוות מ־0.5 עד כ־2000L או לפעול בספיקות זרימה מ־0.1L עד 20 מטרים מעוקבים לשעה בפיתוח תהליכים ובייצור מסחרי.
גלו את עוצמתה של הומוגניזציה אולטרסונית!

פיזור ופירוק אגלומרטים באמצעות אולטרסאונד

פיזור מוצקים בנוזלים ופירוק האגלומרטים שלהם הם יישום חשוב של מכשירים אולטרסוניים המצוידים בגשושית. קוויטציה אולטרסונית / אקוסטית יוצרת כוחות גזירה גבוהים המפרקים אגלומרטים של חלקיקים לחלקיקים נפרדים ומפוזרים. ערבוב אבקות בנוזלים הוא שלב נפוץ בהכנת פורמולציות של מוצרים שונים, כגון צבעים, לכות, מוצרי קוסמטיקה, מזון ומשקאות או חומרי ליטוש. החלקיקים הנפרדים מוחזקים יחד באמצעות כוחות משיכה בעלי אופי פיזיקלי וכימי מגוון, לרבות כוחות ואן דר ואלס ומתח הפנים של הנוזל. סוניקציה מתגברת על כוחות המשיכה האלה כדי לפרק את האגלומרטים ולפזר את החלקיקים בתווך נוזלי. לפיזור אבקות בנוזלים ולפירוק האגלומרטים שלהן, סוניקציה בעוצמה גבוהה היא חלופה מעניינת להומוגנייזרים בלחץ גבוה, למערבלים בעלי כוחות גזירה גבוהים, לטחנות חרוזים או למערבלי רוטור וסטטור.
קבלו מידע מעמיק על פיזור ופירוק אגלומרטים באמצעות אולטרסאונד!

תחלוב אולטרסוני

מגוון רחב של מוצרי ביניים ומוצרי צריכה, כגון מוצרי קוסמטיקה ותחליבי עור, משחות רפואיות, לכות, צבעים, חומרי סיכה ודלקים, מבוססים באופן מלא או חלקי על תחליבים. תחליבים הם פיזורים של שתי פאזות נוזליות או יותר שאינן מתערבבות זו בזו. אולטרסאונד בעוצמה גבוהה מאוד מספק כוחות גזירה חזקים דיים לפיזור פאזה נוזלית (הפאזה המפוזרת) בטיפות קטנות בתוך פאזה שנייה (הפאזה הרציפה). באזור הפיזור, בועות קוויטציה הקורסות פנימה יוצרות גלי הלם עזים בנוזל שסביבן ומביאות להיווצרות סילוני נוזל במהירות גבוהה (גזירה חזקה). ניתן להתאים את הסוניקציה במדויק לגודל הטיפות הרצוי בתחליב, וכך לאפשר ייצור אמין של מיקרו־תחליבים וננו־תחליבים.
לחצו כאן לקריאה נוספת על תחלוב אולטרסוני!

כרסום וטחינה רטובים באמצעות אולטרסאונד

סוניקציה היא אמצעי יעיל לכרסום רטוב ולטחינה מיקרונית של חלקיקים. לאולטרסאונד יתרונות רבים, במיוחד בייצור תרחיפים בעלי חלקיקים זעירים במיוחד. הוא עדיף על ציוד מסורתי להקטנת גודל חלקיקים, כגון: טחנות קולואידיות (למשל טחנות כדורים וטחנות חרוזים), טחנות דיסקים או טחנות סילון. סוניקציה יכולה לעבד תרחיפים בריכוז גבוה ובצמיגות גבוהה – ובכך להפחית את הנפח שיש לעבד. כמובן, כרסום אולטרסוני מתאים לעיבוד חומרים בגודל מיקרוני וננומטרי, כגון חומרים קרמיים, פיגמנטים, בריום סולפט, סידן פחמתי או תחמוצות מתכת. במיוחד כשמדובר בננו־חומרים, סוניקציה מצטיינת בביצועיה, שכן כוחות הגזירה רבי העוצמה שלה יוצרים ננו־חלקיקים קטנים בגודל אחיד.
קראו עוד על כרסום רטוב וטחינה מיקרונית באמצעות אולטרסאונד!

TiO2 שיובש בריסוס לפני כרסום אולטרסוני ואחריו

פירוק תאים וליזיס באמצעות אולטרסאונד

טיפול אולטרסוני יכול לפרק חומר סיבי ותאי לחלקיקים דקים ולבקוע את הדפנות של המבנה התאי. כך משתחררת לנוזל כמות גדולה יותר של החומר התוך־תאי, כגון עמילן או סוכר. ניתן להשתמש בהשפעה זו לתסיסה, לעיכול ולתהליכי המרה אחרים של חומר אורגני. לאחר כרסום וטחינה, סוניקציה מנגישה לאנזימים הממירים עמילן לסוכרים כמות גדולה יותר של החומר התוך־תאי, למשל עמילן, וכן של שברי דופנות התאים. היא גם מגדילה את שטח הפנים החשוף לאנזימים במהלך הנזלה או סכריפיקציה. בדרך כלל, הדבר מגביר את המהירות ואת התפוקה של תסיסה באמצעות שמרים ושל תהליכי המרה אחרים, למשל לשם הגברת ייצור האתנול מביומסה.
קראו עוד על פירוק מבנים תאיים באמצעות אולטרסאונד!

מיצוי אולטרסוני של חומרים צמחיים

מיצוי תרכובות פעילות ביולוגית האגורות בתאים ובחלקיקים תת־תאיים הוא יישום נפוץ של אולטרסאונד בעוצמה גבוהה. מיצוי אולטרסוני משמש לבידוד מטבוליטים שניוניים (למשל פוליפנולים), רב־סוכרים, חלבונים, שמנים אתריים וחומרים פעילים אחרים מתוך המטריצה התאית של צמחים ופטריות. סוניקציה מתאימה למיצוי תרכובות אורגניות במים ובממסים, ומשפרת במידה ניכרת את תפוקת החומרים הצמחיים המצויים בצמחים או בזרעים. מיצוי אולטרסוני משמש לייצור תרופות, נוטרצבטיקה / תוספי תזונה, חומרי ריח ותוספים ביולוגיים. אולטרסאונד הוא טכניקת מיצוי ירוקה המשמשת גם למיצוי רכיבים פעילים ביולוגית בבתי זיקוק לביומסה, למשל לשחרור תרכובות בעלות ערך מזרמי תוצרי לוואי בלתי מנוצלים הנוצרים בתהליכים תעשייתיים. סוניקציה היא טכנולוגיה יעילה ביותר למיצוי חומרים צמחיים בקנה מידה מעבדתי ובקנה מידה של ייצור.
גלו את יתרונות המיצוי האולטרסוני!

יישום סונוכימי של אולטרסאונד

סונוכימיה היא יישום של אולטרסאונד בתגובות ובתהליכים כימיים. המנגנון הגורם להשפעות סונוכימיות בנוזלים הוא תופעת הקוויטציה האקוסטית. ההשפעות הסונוכימיות על תגובות ותהליכים כימיים כוללות הגברת מהירות התגובה או התפוקה, שימוש יעיל יותר באנרגיה, שיפור הביצועים של זרזי מעבר פאזה, אקטיבציה של מתכות ומוצקים או הגברת התגובתיות של מגיבים או זרזים.
גלו את ההשפעות הסונוכימיות של אולטרסאונד!

טרנסאסטריפיקציה אולטרסונית של שמן (משומש) לביודיזל

סוניקציה מגבירה את מהירות התגובה הכימית ואת הניצולת של טרנסאסטריפיקציה של שמנים צמחיים ושומנים מן החי לביודיזל. הדבר מאפשר להעביר את הייצור מעיבוד באצוות לעיבוד בזרימה רציפה ומפחית את עלויות ההשקעה והתפעול. אחד היתרונות העיקריים של ייצור ביודיזל באמצעות אולטרסאונד הוא השימוש בשמנים משומשים, כגון שמני בישול משומשים ומקורות שמן אחרים באיכות ירודה. טרנסאסטריפיקציה אולטרסונית יכולה להמיר אפילו חומרי גלם באיכות נמוכה לביודיזל באיכות גבוהה (אסטר מתילי של חומצת שומן / FAME). ייצור ביודיזל משמנים צמחיים או משומנים מן החי כרוך בטרנסאסטריפיקציה של חומצות שומן עם מתנול או אתנול, בקטליזה בסיסית, לקבלת האסטרים המתיליים או האתיליים המתאימים. סוניקציה יכולה להשיג ניצולת ביודיזל העולה על 99%. אולטרסאונד מקצר במידה ניכרת את זמן העיבוד ואת זמן ההפרדה.
לחצו כאן כדי לקרוא עוד על טרנסאסטריפיקציה של שמן לביודיזל בסיוע אולטרסאונד!

סילוק גזים, הוצאת אוויר והסרת קצף מנוזלים באמצעות אולטרסאונד

סילוק גזים מנוזלים הוא יישום חשוב נוסף של מכשירי אולטרסאונד מסוג גשוש. תנודות אולטרסוניות וקוויטציה גורמות להתלכדות של גזים מומסים בנוזל. כאשר בועות הגז הזעירות מתלכדות, הן יוצרות בועות גדולות יותר, הצפות במהירות אל פני הנוזל, ומשם אפשר להסירן. כך, סילוק גזים והוצאת אוויר באמצעות אולטרסאונד יכולים להפחית את רמת הגז המומס אל מתחת לרמת שיווי המשקל הטבעית.
לחצו כאן כדי לקרוא עוד על סילוק גזים מנוזלים באמצעות אולטרסאונד!

ניקוי תילים, כבלים ורצועות באמצעות אולטרסאונד

ניקוי אולטרסוני הוא חלופה ידידותית לסביבה לניקוי חומרים רציפים, כגון תילים וכבלים, סרטים או צינורות. השפעתה של הקוויטציה האולטרסונית העוצמתית מסירה מפני החומר שאריות סיכה כגון שמן או גריז, סבונים, סטארטים או אבק. Hielscher Ultrasonics מציעה מגוון מערכות אולטרסוניות לניקוי פרופילים רציפים בתוך קו הייצור.
לחצו כאן למידע נוסף על ניקוי פרופילים רציפים באמצעות אולטרסאונד!

מה הופך את הסוניקציה לשיטת עיבוד עדיפה?

סוניקציה, כלומר שימוש בגלי קול בתדירות גבוהה להנעת נוזלים, היא שיטת עיבוד יעילה ממגוון סיבות. להלן כמה סיבות לכך שסוניקציה בעוצמה גבוהה ובתדירות נמוכה של כ־20kHz יעילה ומועילה במיוחד לעיבוד נוזלים ותרחיפים:

1. קוויטציה: אחד המנגנונים העיקריים של סוניקציה הוא היווצרות וקריסה של בועות זעירות, תופעה המכונה קוויטציה. בתדירות של 20kHz, גלי הקול נמצאים בדיוק בתדירות המתאימה ליצירת בועות ולהקרסתן ביעילות. קריסת הבועות האלה יוצרת גלי הלם עתירי אנרגיה, שיכולים לפרק חלקיקים ותאים בנוזל העובר סוניקציה.
2. תנודה ורטט: מלבד הקוויטציה האקוסטית הנוצרת, תנודת הגשוש האולטרסוני יוצרת תנועה וערבול נוספים בנוזל, ובכך מקדמת מעבר מסה ו/או סילוק גזים.
3. חדירה: לגלי קול בתדר של 20kHz יש אורך גל ארוך יחסית, המאפשר להם לחדור לעומק הנוזלים. קוויטציה אולטרסונית היא תופעה מקומית המתרחשת בסביבת הגשושית האולטרסונית. ככל שהמרחק מהגשושית גדל, עוצמת הקוויטציה פוחתת. עם זאת, סוניקציה בתדר של 20kHz יכולה לטפל ביעילות בנפחי נוזל גדולים יותר בהשוואה לסוניקציה בתדר גבוה יותר, שאורכי הגל שלה קצרים יותר ועומק החדירה שלה עשוי להיות מוגבל יותר.
4. צריכת אנרגיה נמוכה: ניתן לבצע סוניקציה בצריכת אנרגיה נמוכה יחסית לשיטות עיבוד אחרות, כגון הומוגניזציה בלחץ גבוה או ערבול מכני. לכן זוהי שיטה יעילה יותר מבחינה אנרגטית ומשתלמת יותר מבחינה כלכלית לעיבוד נוזלים.
5. שינוי ליניארי של קנה המידה: ניתן לשנות את קנה המידה של תהליכים אולטרסוניים באופן ליניארי לחלוטין לנפחים גדולים או קטנים יותר. כך ניתן לבצע התאמות אמינות של התהליך בייצור, שכן אפשר לשמור על איכות מוצר יציבה ברציפות.
6. עיבוד באצוות ובזרימה בקו: ניתן לבצע עיבוד אולטרסוני באצוות או בתהליכים רציפים בקו. לצורך סוניקציה של אצוות, מחדירים את הגשושית האולטרסונית לכלי הפתוח או לכור האצווה הסגור. לצורך סוניקציה של זרימה רציפה, מתקינים תא זרימה אולטרסוני. התווך הנוזלי חולף על פני הסונוטרודה (מוט הרוטט בתדר אולטרסוני) במעבר יחיד או בסחרור חוזר, ונחשף לגלים האולטרסוניים באופן אחיד ביותר ויעיל.

בסיכומו של דבר, כוחות הקוויטציה העזים, צריכת האנרגיה הנמוכה והאפשרות לשנות את קנה המידה של התהליך הופכים סוניקציה בתדר נמוך ובהספק גבוה לשיטה יעילה לעיבוד נוזלים.

עקרון הפעולה והשימוש בעיבוד אולטרסוני

עיבוד אולטרסוני הוא טכנולוגיית עיבוד מסחרית שאומצה בתעשיות רבות לייצור בקנה מידה גדול. אמינות גבוהה ויכולת שינוי קנה המידה, לצד עלויות תחזוקה נמוכות ויעילות אנרגטית גבוהה, הופכות מעבדים אולטרסוניים לחלופה טובה לציוד מסורתי לעיבוד נוזלים. אולטרסאונד מציע אפשרויות מרתקות נוספות: קוויטציה – האפקט האולטרסוני הבסיסי – מניבה תוצאות ייחודיות בתהליכים ביולוגיים, כימיים ופיזיקליים. לדוגמה, פיזור ותחלוב אולטרסוניים מאפשרים לייצר בקלות פורמולציות יציבות בגודל ננומטרי. גם בתחום המיצוי מצמחים, אולטרסאונד הוא טכניקה לא תרמית לבידוד תרכובות פעילות ביולוגית.

ערבוב אולטרסוני מבוסס על קוויטציה אקוסטית ועל כוחות הגזירה ההידרודינמיים שלה.

בעוד שאולטרסאונד בעוצמה נמוכה או בתדירות גבוהה משמש בעיקר לאנליזה, לבדיקות לא הורסות ולהדמיה, אולטרסאונד בעוצמה גבוהה משמש לעיבוד נוזלים ומשחות, שבו גלי אולטרסאונד עזים משמשים לערבוב, לתחלוב, לפיזור ולפירוק אגלומרטים, לפירוק תאים או להשבתת אנזימים. בעת ביצוע סוניקציה של נוזלים בעוצמות גבוהות, גלי הקול מתפשטים בתווך הנוזלי. הדבר יוצר מחזורים מתחלפים של לחץ גבוה (דחיסה) ולחץ נמוך (דילול), בקצבים התלויים בתדירות. במהלך מחזור הלחץ הנמוך, גלי אולטרסאונד בעוצמה גבוהה יוצרים בועות ריק קטנות או חללים בנוזל. כאשר הבועות מגיעות לנפח שבו הן אינן יכולות עוד לספוג אנרגיה, הן קורסות בעוצמה במהלך מחזור של לחץ גבוה. תופעה זו נקראת קוויטציה. במהלך הקריסה פנימה נוצרים באופן מקומי טמפרטורות גבוהות מאוד (כ־5,000K) ולחצים גבוהים מאוד (כ־2,000atm). קריסתה פנימה של בועת הקוויטציה יוצרת גם סילוני נוזל במהירות של עד 280 מטר לשנייה.

קוויטציה אולטרסונית בנוזלים יכולה לגרום לסילוק מהיר ומלא של גזים; ליזום תגובות כימיות שונות באמצעות יצירת יונים כימיים חופשיים (רדיקלים); להאיץ תגובות כימיות באמצעות הקלת הערבוב של המגיבים; להגביר תגובות פילמור ודה־פולימריזציה באמצעות פיזור אגרגטים או שבירה לצמיתות של קשרים כימיים בשרשראות פולימריות; להגדיל את קצבי התחלוב; לשפר את קצבי הדיפוזיה; לייצר תחליבים בריכוז גבוה מאוד או תרחיפים אחידים של חומרים בגודל מיקרוני או ננומטרי; לסייע במיצוי חומרים כגון אנזימים מתאי בעלי חיים, צמחים, שמרים או חיידקים; לסלק נגיפים מרקמה נגועה; ולבסוף, לשחוק ולפרק חלקיקים הרגישים לכך, לרבות מיקרואורגניזמים. (cf. Kuldiloke 2002)

אולטרסאונד בעוצמה גבוהה יוצר ערבול עז בנוזלים בעלי צמיגות נמוכה, שניתן להשתמש בו לפיזור חומרים בנוזלים. (cf. Ensminger, 1988) בממשקי נוזל/מוצק או גז/מוצק, הקריסה האסימטרית פנימה של בועות קוויטציה יכולה לגרום למערבולות קיצוניות המצמצמות את שכבת הגבול של הדיפוזיה, מגבירות את מעבר המסה בהסעה ומאיצות במידה ניכרת את הדיפוזיה במערכות שבהן ערבוב רגיל אינו אפשרי. (cf. Nyborg, 1965)

ספרות

• 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).