אולטרסאונד: יישומים ותהליכים
אולטרה-סוניקציה היא שיטת עיבוד מכנית היוצרת קוויטציה אקוסטית וכוחות פיזיקליים אינטנסיביים ביותר. לכן, קולי משמש עבור יישומים רבים כגון ערבוב, הומוגניזציה, כרסום, פיזור, תחלוב, מיצוי, degassing, ותגובות סונו-כימיות.
להלן, תוכלו ללמוד הכל על יישומים קוליים טיפוסיים ותהליכים.
הומוגניזציה קולית
הומוגנייזרים על-קוליים מפחיתים חלקיקים קטנים בנוזל כדי לשפר את האחידות ואת יציבות הפיזור. החלקיקים (שלב פיזור) יכולים להיות מוצקים או טיפות נוזליות המרחפים בפאזה נוזלית. הומוגניזציה קולית יעילה מאוד להפחתת חלקיקים רכים וקשים. Hielscher מייצרת ultrasonicators עבור הומוגניזציה של כל נפח נוזלי עבור אצווה או עיבוד בתוך השורה. התקנים קוליים מעבדה ניתן להשתמש עבור נפחים מ 1.5mL לכ. 4L. מכשירים תעשייתיים אולטראסוניים יכולים לעבד אצוות מ 0.5 עד כ. 2000L או קצבי זרימה מ 0.1L עד 20 מ"ק לשעה בפיתוח תהליך ובייצור מסחרי.
לחץ כאן כדי לקרוא עוד על הומוגניזציה קולית!
פיזור קולי ופירוק
פיזור ופירוק של מוצקים לנוזלים הוא יישום חשוב של אולטרסאונד מסוג בדיקה. קוויטציה על-קולית / אקוסטית יוצרת כוחות גזירה גבוהים המפרקים חלקיקים מצטברים לחלקיקים בודדים ומפוזרים בודדים. ערבוב אבקות לנוזלים הוא שלב נפוץ בגיבוש מוצרים שונים, כגון צבע, לכה, מוצרי קוסמטיקה, מזון ומשקאות או חומרי ליטוש. החלקיקים הבודדים מוחזקים יחד על ידי כוחות משיכה בעלי אופי פיזיקלי וכימי שונים, כולל כוחות ואן-דר-ואלס ומתח פני השטח הנוזלי. אולטרה-סוניקציה מתגברת על כוחות משיכה אלה על מנת לפרק ולפזר את החלקיקים במדיה נוזלית. עבור פיזור ו deagglomeration של אבקות בנוזלים, ultrasonication בעוצמה גבוהה היא חלופה מעניינת homogenizers בלחץ גבוה, מערבלים גזירה גבוהה, טחנות חרוזים או רוטור-stator-mixers.
לחץ כאן כדי לקרוא עוד על פיזור קולי ו deagglomeration!
תחליב קולי
מגוון רחב של מוצרי ביניים וצריכה, כגון קוסמטיקה וקרמים לעור, משחות תרופות, לכה, צבעים ושמנים ודלקים מבוססים באופן מלא או חלקי על תחליבים. תחליבים הם פיזור של שני פאזות נוזליות או יותר שאינן ניתנות להפרעה. אולטרסאונד אינטנסיבי מספק מספיק גזירה אינטנסיבית כדי לפזר פאזה נוזלית (פאזה מפוזרת) בטיפות קטנות בשלב שני (פאזה רציפה). באזור הפיזור, בועות קוויטציה מתפוצצות גורמות לגלי הלם אינטנסיביים בנוזל שמסביב וגורמות להיווצרות סילוני נוזל בעלי מהירות נוזל גבוהה (גזירה גבוהה). ניתן להתאים במדויק את האולטרסאונד לגודל תחליב המטרה ובכך לאפשר ייצור אמין של מיקרו-תחליבים וננו-תחליבים.
לחץ כאן כדי לקרוא עוד על תחליב קולי!
The UIP1000hdT הוא 1000 וואט אולטרסוניקטור רב עוצמה עבור הומוגניזציה, כרסום ויישומי מיצוי.
כרסום וטחינה רטובים אולטראסוניים
Ultrasonication הוא אמצעי יעיל עבור כרסום רטוב ו micro-grinding של חלקיקים. במיוחד עבור ייצור של slurries בגודל superfine, אולטרסאונד יש יתרונות רבים. הוא עדיף על ציוד מסורתי להקטנת גודל, כגון: טחנות קולואידים (למשל טחנות כדורים, טחנות חרוזים), טחנות דיסק או טחנות סילון. אולטרה-סוניקציה יכולה לעבד תרחיפים בעלי ריכוז גבוה וצמיגות גבוהה – ובכך להפחית את הנפח שיש לעבד. כמובן, כרסום קולי מתאים לעיבוד חומרים בגודל מיקרון וננומטר, כגון קרמיקה, פיגמנטים, בריום סולפט, סידן פחמתי או תחמוצות מתכת. במיוחד כשמדובר בננו-חומרים, אולטרה-סוניקציה מצטיינת בביצועים מכיוון שכוחות הגזירה בעלי ההשפעה הרבה שלה יוצרים ננו-חלקיקים קטנים באופן אחיד.
לחצו כאן כדי לקרוא עוד על כרסום רטוב אולטראסוני וטחינה זעירה!
TiO2 מיובש בריסוס לפני ואחרי כרסום על-קולי
התפוררות תאים אולטראסוניים וליזיס
טיפול אולטראסוני יכול לפרק חומר סיבי צלולוסי לחלקיקים עדינים ולשבור את קירות מבנה התא. זה משחרר יותר מהחומר התוך-תאי, כגון עמילן או סוכר לתוך הנוזל. אפקט זה יכול לשמש לתסיסה, עיכול ותהליכי המרה אחרים של חומר אורגני. לאחר טחינה וטחינה, אולטרה-סוניקציה הופכת יותר מהחומר התוך-תאי, כגון עמילן, כמו גם את פסולת דופן התא, לזמינה לאנזימים הממירים עמילן לסוכרים. זה גם מגדיל את שטח הפנים החשוף לאנזימים במהלך הנזלה או סכריפיקציה. זה בדרך כלל מגביר את המהירות ואת התפוקה של תסיסה שמרים ותהליכי המרה אחרים, למשל כדי להגביר את ייצור האתנול מביומסה.
לחץ כאן כדי לקרוא עוד על התפוררות קולית של מבני תאים!
מיצוי קולי של צמחים
מיצוי של תרכובות ביו-אקטיביות המאוחסנות בתאים ובחלקיקים תת-תאיים הוא יישום נפוץ של אולטרסאונד בעוצמה גבוהה. מיצוי על-קולי משמש לבידוד מטבוליטים משניים (למשל, פוליפנולים), רב-סוכרים, חלבונים, שמנים אתריים ומרכיבים פעילים אחרים מהמטריצה התאית של צמחים ופטריות. סוניקציה, המתאימה למיצוי מים וממסים של תרכובות אורגניות, משפרת את התפוקה של תמציות צמחיות הכלולות בצמחים או זרעים באופן משמעותי. מיצוי קולי משמש לייצור תרופות, נוטרצאוטיקלים / תוספי תזונה, ניחוחות ותוספים ביולוגיים. אולטרסאונד היא טכניקת מיצוי ירוקה המשמשת גם למיצוי רכיבים ביו-אקטיביים בבתי זיקוק ביולוגיים, למשל שחרור תרכובות יקרות ערך מזרמי תוצרי לוואי שאינם מנוצלים הנוצרים בתהליכים תעשייתיים. אולטרה-סוניקציה היא טכנולוגיה יעילה ביותר למיצוי בוטני בקנה מידה של מעבדה וייצור.
לחץ כאן למידע נוסף על מיצוי קולי!
כור אולטראסוני עם 16,000 וואט לעיבוד נוזלים משופר באולטרסאונד.
יישום סונוכימי של אולטרסאונד
סונוכימיה היא יישום של אולטרסאונד לתגובות ותהליכים כימיים. המנגנון הגורם להשפעות סונוכימיות בנוזלים הוא תופעת הקוויטציה האקוסטית. ההשפעות הסונוכימיות על תגובות ותהליכים כימיים כוללות עלייה במהירות התגובה או בתפוקה, שימוש יעיל יותר באנרגיה, שיפור ביצועים של זרזי העברת פאזה, הפעלת מתכות ומוצקים או עלייה בתגובתיות של ריאגנטים או זרזים.
לחץ כאן כדי לקרוא עוד על ההשפעות הסונוכימיות של אולטרסאונד!
טרנסאסטריפיקציה קולית של שמן לביודיזל
אולטרה-סוניקציה מגבירה את מהירות התגובה הכימית ואת התשואה של טרנסאסטריפיקציה של שמנים צמחיים ושומנים מן החי לביודיזל. זה מאפשר לשנות את הייצור מעיבוד אצווה לעיבוד זרימה רציף וזה מפחית את עלויות ההשקעה והתפעול. אחד היתרונות העיקריים של ייצור ביודיזל קולי הוא השימוש בשמני פסולת כגון שמני בישול משומשים ומקורות שמן אחרים באיכות ירודה. טרנסאסטריפיקציה קולית יכולה להמיר אפילו חומרי הזנה באיכות נמוכה לביודיזל באיכות גבוהה (חומצת שומן מתיל אסטר / FAME). ייצור ביודיזל משמנים צמחיים או שומנים מן החי, כרוך בטרנסאסטריפיקציה המזורזת הבסיסית של חומצות שומן עם מתנול או אתנול כדי לתת את אסטרי המתיל המתאימים או אסטרי אתיל. אולטרה-סוניקציה יכולה להשיג תפוקת ביו-דיזל העולה על 99%. אולטרסאונד מקטין את זמן העיבוד ואת זמן ההפרדה באופן משמעותי.
לחצו כאן כדי לקרוא עוד על טרנסאסטריפיקציה בסיוע אולטרה-סאונד של שמן לביודיזל!
degassing קולי de-aeration של נוזלים
Degassing של נוזלים הוא יישום חשוב נוסף של ultrasonicators סוג בדיקה. תנודות קוליות וקוויטציה גורמות להתלכדות של גזים מומסים בנוזל. כאשר בועות הגז הזעירות מתמזגות, הן נוצרות כך בועות גדולות יותר שצפות במהירות אל פני השטח העליונים של הנוזל ומשם ניתן להסירן. לכן, degassing קולי deaeration יכול להפחית את רמת הגז מומס מתחת לרמת שיווי המשקל הטבעי.
לחץ כאן כדי לקרוא עוד על degassing קולי של נוזלים!
ניקוי חוטים אולטראסוניים, כבלים ורצועות
ניקוי קולי הוא חלופה ידידותית לסביבה לניקוי של חומרים מתמשכים, כגון חוט וכבל, סרט או צינורות. ההשפעה של הקוויטציה הקולית החזקה מסירה שאריות סיכה כמו שמן או גריז, סבונים, סטארטים או אבק מפני השטח של החומר. Hielscher Ultrasonics מציעה מערכות קוליות שונות לניקוי מוטבע של פרופילים רציפים.
לחצו כאן למידע נוסף על ניקוי אולטראסוני של פרופילים רציפים!
צרו קשר! / שאל אותנו!
מה הופך את סוניקציה לשיטת עיבוד מעולה?
סוניקציה, או שימוש בגלי קול בתדר גבוה כדי לעורר נוזלים, היא שיטת עיבוד יעילה ממגוון סיבות. הנה כמה סיבות לכך שסוניקציה בעוצמה גבוהה ובתדר נמוך של כ-20kHz היא בעלת השפעה ויתרון מיוחדים לעיבוד נוזלים ותרחיפים:
- קביטציה: אחד המנגנונים העיקריים של סוניקציה הוא יצירה וקריסה של בועות זעירות, תופעה הנקראת קוויטציה. ב-20kHz, גלי הקול נמצאים בדיוק בתדר הנכון כדי ליצור ולמוטט בועות ביעילות. קריסת בועות אלה מייצרת גלי הלם באנרגיה גבוהה, שיכולים לפרק חלקיקים ולשבש תאים בנוזל הסוני.
- תנודה ורטט: מלבד הקוויטציה האקוסטית שנוצרת, התנודה של הגשושית העל-קולית יוצרת תסיסה וערבוב נוספים בנוזל, ובכך מקדמת העברת מסה ו/או פירוק גזים.
- חדירה: לגלי קול במהירות 20kHz יש אורך גל ארוך יחסית, המאפשר להם לחדור עמוק לתוך נוזלים. קוויטציה קולית היא תופעה מקומית המופיעה בסביבת הבדיקה העל-קולית. ככל שהמרחק אל הגשושית הולך וגדל, עוצמת הקוויטציה הולכת ופוחתת. עם זאת, סוניקציה בתדר 20kHz יכולה לטפל ביעילות בנפחים גדולים יותר של נוזל, בהשוואה לסוניקציה בתדר גבוה יותר שיש לה 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 לעיבוד נוזלים.
- מדרגיות ליניארית: תהליכים קוליים ניתן בקנה מידה ליניארי לחלוטין לנפחים גדולים או קטנים יותר. זה הופך את התאמות התהליך בייצור לאמינות מכיוון שאיכות המוצר יכולה להישמר יציבה ברציפות.
- אצווה וזרימה מוטבעת: Ultrasonication יכול להתבצע כמו אצווה או כמו תהליכים מוטבעים רציפים. עבור סוניקציה של קבוצות, הבדיקה קולי מוכנס לתוך כלי פתוח או כור אצווה סגור. עבור סוניקציה של זרם זרימה רציף, תא זרימה קולי מותקן. התווך הנוזלי עובר את הסונוטרודה (מוט רוטט אולטרסאונד) במעבר יחיד או במחזור והוא אחיד ויעיל ביותר החשוף לגלי האולטרסאונד.
בסך הכל, הכוחות האינטנסיביים של קוויטציה, צריכת אנרגיה נמוכה ומדרגיות תהליכים הופכים סוניקציה בתדר נמוך ובהספק גבוה לשיטה יעילה לעיבוד נוזלים.
עקרון העבודה והשימוש בעיבוד קולי
Ultrasonication היא טכנולוגיית עיבוד מסחרית, אשר אומצה על ידי תעשיות רבות לייצור בקנה מידה גדול. אמינות גבוהה בקנה מידה גבוה, כמו גם עלויות תחזוקה נמוכות ויעילות אנרגיה גבוהה להפוך מעבדים קוליים חלופה טובה עבור ציוד עיבוד נוזלי מסורתי. אולטרסאונד מציע הזדמנויות מלהיבות נוספות: קביטציה – האפקט האולטרסוני הבסיסי – מניבה תוצאות ייחודיות בתהליכים ביולוגיים, כימיים ופיזיקליים. לדוגמה, פיזור קולי ותחליב מייצרים בקלות פורמולציות יציבות בגודל ננומטרי. גם בתחום מיצוי בוטני, אולטרסאונד היא טכניקה לא תרמית לבודד תרכובות ביו-אקטיביות.
בעוד אולטרסאונד בעוצמה נמוכה או בתדר גבוה משמש בעיקר לניתוח, בדיקות והדמיה לא הרסניות, אולטרסאונד בעוצמה גבוהה משמש לעיבוד נוזלים ומשחות, כאשר גלי אולטרסאונד אינטנסיביים משמשים לערבוב, תחלוב, פיזור ופירוק תאים, התפוררות תאים או נטרול אנזימים. בעת ניקוי נוזלים בעוצמות גבוהות, גלי הקול מתפשטים דרך המדיה הנוזלית. התוצאה היא מחזורי לחץ גבוה (דחיסה) ולחץ נמוך (rarefaction) לסירוגין, עם שיעורים בהתאם לתדירות. במהלך מחזור הלחץ הנמוך, גלים קוליים בעוצמה 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 נקראת קוויטציה. במהלך הקריסה מגיעים לטמפרטורות גבוהות מאוד (כ-5,000K) וללחצים (כ-2,000ATM) באופן מקומי. קריסת בועת הקוויטציה גורמת גם לסילונים נוזליים במהירות של עד 280 מטר לשנייה.
cavitation קולי בנוזלים יכול לגרום degassing מהיר ומלא; 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 תחלוב; לשפר את שיעורי הדיפוזיה; לייצר תחליבים מרוכזים מאוד או פיזור אחיד של חומרים בגודל מיקרון או ננומטר; לסייע במיצוי חומרים כגון אנזימים מתאי בעלי חיים, צמחים, שמרים או חיידקים; להסיר וירוסים מרקמה נגועה; ולבסוף, לשחוק ולפרק חלקיקים רגישים, כולל מיקרואורגניזמים. (ראה: Kuldiloke 2002)
אולטרסאונד בעוצמה גבוהה מייצר תסיסה אלימה בנוזלים בעלי צמיגות נמוכה, אשר ניתן להשתמש בהם לפיזור חומרים בנוזלים. (ראה: אנסמינגר, 1988) בממשקים נוזליים/מוצקים או גז/מוצקים, הקריסה הא-סימטרית של בועות קוויטציה עלולה לגרום למערבולות קיצוניות המפחיתות את שכבת גבול הדיפוזיה, מגדילות את העברת מסת ההסעה ומאיצות במידה ניכרת את הדיפוזיה במערכות שבהן ערבוב רגיל אינו אפשרי. (ראה: ניבורג, 1965)
Cavitation קולי רב עוצמה ב Hielscher Cascatrode
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).
כור קולי עם 4x 2000 וואט בדיקות (8kW) עבור תהליכים סונוכימיים.
Hielscher Ultrasonics מייצרת הומוגנייזרים קוליים בעלי ביצועים גבוהים מ המעבדה ל גודל תעשייתי.