קביטציה קולית בנוזלים
קביטציה אולטראסונית היא הכוח המניע מאחורי עיבוד נוזלים באולטראסאונד בעוצמה גבוהה. כאשר אולטרסאונד עוצמתי מוחדר לנוזל, נוצרות בועות אדים מיקרוסקופיות, אשר גדלות ומתפוצצות בעוצמה. קוויטציה אקוסטית זו יוצרת כוחות גזירה מקומיים עזים, מיקרו-סילונים, גלי הלם, שינויי לחץ ואפקטים של ערבוב מיקרוסקופי, אשר יכולים להאיץ תהליכים כגון הומוגניזציה, פיזור, אמולסיפיקציה, מיצוי, פירוק גזים, פירוק תאים ותגובות סונוכימיות.
מכשירים סוניקטוריים מסוג בדיקה של Hielscher משתמשים בקוויטציה אקוסטית מבוקרת כדי להעביר אנרגיית אולטרה-סאונד ישירות לנוזלים, לתמיסות ולעיסות. החל מדגימות מעבדה קטנות ועד לייצור תעשייתי רציף בזרימה רציפה, מערכות Hielscher מאפשרות להתאים את משרעת הגל, צורת הסונוטרוד, הלחץ, הטמפרטורה, קצב הזרימה וזמן השהייה, כדי להשיג תוצאות קוויטציה שניתן לשחזר.
- למעבדות: לפתח ולבצע אופטימיזציה של פרמטרי האולטרסאונד בנפחים קטנים.
- למתקני פיילוט: לאמת תהליכים המונעים על ידי קוויטציה בתנאי עיבוד מציאותיים.
- לייצור: לשלב קוויטציה אולטראסונית בקנה מידה גדול בתהליכים אצוותיים, בתהליכי מחזור או בתהליכים רציפים מקוונים.
ציינו בפנינו את הנוזל, נפח האצווה או קצב הזרימה, הצמיגות, תכולת המוצקים, מגבלות הטמפרטורה ותוצאת התהליך הרצויה. אנו נמליץ על תצורת הסוניקטור, הסונוטרוד ותא הזרימה האופטימלית ליישום הקוויטציה שלכם.
מכשירים קוליים מסוג בדיקה, כגון ה-UP400St השתמש בעקרון העבודה של קוויטציה אקוסטית.
עקרון העבודה של קביטציה קולית
בעת הסוניק נוזלים בעוצמות גבוהות, גלי הקול המתפשטים לתוך המדיה הנוזלית גורמים לסירוגין למחזורי לחץ גבוה (דחיסה) ולחץ נמוך (rarefaction), עם קצב בהתאם לתדר. 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.
קוויטציה אקוסטית (הנוצרת על ידי אולטרסאונד כוח) יוצרת תנאים קיצוניים מקומיים, מה שנקרא השפעות סונומכניות וסונוכימיות. בשל השפעות אלה, סוניקציה מקדמת תגובות כימיות המובילות לתפוקות גבוהות יותר, מהירות תגובה מהירה יותר, מסלולים חדשים ויעילות כוללת משופרת.
מכשיר סוניקטור או אמבטיה אולטראסונית: איזו שיטת קוויטציה מתאימה?
גם מכשירי סוניקציה עם בדיקה וגם אמבטיות אולטראסוניות יוצרים קוויטציה אקוסטית, אך הם נבדלים זה מזה באופן משמעותי בעוצמה, בבקרה ובאמינות התהליך. בעוד שאמבטיות אולטראסוניות שימושיות לניקוי, מכשירי סוניקציה מסוג בדיקה מחברים אנרגיית אולטראסאונד ישירות לנוזל ויוצרים אזור קוויטציה ממוקד וחזק בהרבה. זה הופך את מכשירי הסוניקציה מסוג בדיקה לבחירה המועדפת עבור יישומים של עיבוד נוזלים הניתנים לשחזור, כגון הומוגניזציה, אמולסיפיקציה, מיצוי, פירוק תאים, פיזור חלקיקים ננומטריים ותגובות סונוכימיות.
| קריטריונים להשוואה | סוניק בדיקה | אמבטיה קולית |
|---|---|---|
| עוצמת הקוויטציה | מייצר קוויטציה אקוסטית בעוצמה גבוהה ישירות בקצה הסונוטרוד. | יוצר קוויטציה חלשה יותר המפוזרת ברחבי נפח האמבטיה. |
| העברת אנרגיה | מעביר אנרגיית אולטרה-סאונד ישירות אל הנוזל, התמיסה או התערובת. | מעביר אנרגיה באופן עקיף דרך נוזל האמבטיה ודפנות הכלי. |
| בקרת תהליכים | מאפשר כוונון מדויק של משרעת, הספק כניסה, מצב פולסים, טמפרטורה וזמן עיבוד. | מאפשר שליטה מוגבלת על האנרגיה האולטראסונית המגיעה בפועל לדגימה. |
| יכולת שחזור | מספק תוצאות סוניקציה שניתן לשחזר כאשר פרמטרי התהליך מוגדרים ומפוקחים. | התוצאות עשויות להשתנות בשל פיזור לא אחיד של הקוויטציה, מיקום הכלי, חומר הכלי, רמת המילוי והעומס באמבטיה. |
| יעילות העיבוד | יעיל ביותר להומוגניזציה, פיזור, יצירת תחליבים, מיצוי, פירוק תאים ושימוש בסונוכימיה. | מתאים בעיקר לניקוי. |
| נפח לדוגמה | זמין עבור דגימות מעבדה קטנות, כמו גם עבור כמויות פיילוט ותעשייתיות. | משמש בדרך כלל לכלי קיבול קטנים או למספר מיכלים המונחים בתוך האמבטיה. |
| סקייל-אפ | ניתן להרחבה מבדיקות מעבדה לניסויים פיילוט ולעיבוד תעשייתי רציף בקו הייצור. | קשה לבצע התאמה בקנה מידה גדול באופן מהימן, מכיוון שקשה להעביר את אופן חלוקת האנרגיה ואת עוצמת הקוויטציה. |
| אמצעי תקשורת מתאימים | מתאים לנוזלים, תחליבים, תמיסות, תרחיפים ותכשירים בעלי תכולת מוצקים גבוהה. | מתאים ביותר לנוזלים בעלי צמיגות נמוכה ולמשימות ניקוי או פינוי גזים פשוטות. |
| יישומים נפוצים | פיזור חלקיקים ננומטריים, ננו-אמולסיות, מיצוי, פירוק תאים, הומוגניזציה, פירוק אגרגטים, טחינה רטובה ותגובות סונוכימיות. | ניקוי כלי זכוכית, סילוק גזים מנוזלים, המסת אבקות וערבוב עדין של דגימות. |
| הבחירה הטובה ביותר עבור | עיבוד נוזלים באמצעות אולטרה-סאונד מבוקר, עוצמתי וניתן לשחזור. | ניקוי פשוט או טיפול קולי בעוצמה נמוכה. |
יישומים עיקריים של מכשירי סוניקציה וקביטציה אקוסטית
אולטרסוניקטורים מסוג בדיקה, הידועים גם בשם בדיקות קוליות, מייצרים ביעילות קוויטציה אקוסטית אינטנסיבית בנוזלים. לכן, הם נמצאים בשימוש נרחב ביישומים שונים על פני תעשיות שונות. חלק מהיישומים החשובים ביותר של קוויטציה אקוסטית הנוצרת על ידי אולטרסאונד מסוג בדיקה כוללים:
- הומוגניזציה: בדיקות קוליות יכולות ליצור קוויטציה אינטנסיבית, המאופיינת כשדה צפוף אנרגיה של כוחות רטט וגזירה. כוחות אלה מספקים ערבוב, מיזוג והפחתת גודל חלקיקים מצוינים. הומוגניזציה קולית מייצרת מתלים מעורבים באופן אחיד. לכן, סוניקציה משמשת לייצור השעיה קולואידית הומוגנית עם עקומות הפצה צרות.
- פיזור ננו-חלקיקים: אולטרסאונד משמש לפיזור, deagglomeration וכרסום רטוב של ננו-חלקיקים. גלי אולטרסאונד בתדר נמוך יכולים ליצור קוויטציה משפיעה, אשר מפרקת אגרומרטים ומקטינה את גודל החלקיקים. בפרט, הגזירה הגבוהה של סילוני הנוזל מאיצה חלקיקים בנוזל, אשר מתנגשים זה בזה (התנגשות בין-חלקית) כך שהחלקיקים כתוצאה מכך נשברים ונשחקים. התוצאה היא פיזור אחיד ויציב של חלקיקים המונעים שיקוע. זה חיוני בתחומים שונים, כולל ננוטכנולוגיה, מדעי החומרים ותרופות.
- תחליב וערבוב: אולטרסאונד מסוג בדיקה משמשים ליצירת תחליבים וערבוב נוזלים. האנרגיה העל-קולית גורמת לקוויטציה, היווצרות וקריסה של בועות מיקרוסקופיות, המייצרות כוחות גזירה מקומיים אינטנסיביים. תהליך זה מסייע בתחליב נוזלים בלתי ניתנים לערבוב, ומייצר תחליבים יציבים ומפוזרים דק.
- חילוץ: בשל כוחות גזירה קוויטציוניים, אולטרה-סאונד יעיל מאוד בשיבוש מבנים תאיים ובשיפור העברת המסה בין מוצק לנוזל. לכן, מיצוי קולי נמצא בשימוש נרחב כדי לשחרר חומר תאיים כגון תרכובות ביו-אקטיביות לייצור תמציות בוטניות באיכות גבוהה.
- פירוק גזים ואוורור: אולטרסאונד מסוג בדיקה משמש להסרת בועות גז או גזים מומסים מנוזלים. היישום של cavitation קולי מקדם את התלכדות של בועות גז, כך שהם גדלים לצוף לראש הנוזל. cavitation קולי עושה degasification הליך מהיר ויעיל. זה בעל ערך בתעשיות שונות, כגון צבעים, נוזלים הידראוליים, או עיבוד מזון ומשקאות, שבו נוכחות של גזים יכולה להשפיע לרעה על איכות המוצר ויציבותו.
- סונוקטליזה: בדיקות קוליות ניתן להשתמש עבור sonocatalysis, תהליך המשלב cavitation אקוסטי עם זרזים כדי לשפר תגובות כימיות. הקוויטציה הנוצרת על ידי גלים על-קוליים משפרת את העברת המסה, מגבירה את קצב התגובה ומקדמת ייצור רדיקלים חופשיים, מה שמוביל לטרנספורמציות כימיות יעילות וסלקטיביות יותר.
- הכנת המדגם: אולטרסאונד מסוג בדיקה משמש בדרך כלל במעבדות להכנת דגימה. הם משמשים כדי הומוגניזציה, פירוק וחילוץ דגימות ביולוגיות, כגון תאים, רקמות ווירוסים. האנרגיה העל-קולית הנוצרת על ידי הגשושית משבשת את קרום התא, משחררת תוכן תאי ומקלה על ניתוח נוסף.
- התפוררות ושיבוש תאים: אולטרסאונד מסוג בדיקה משמש כדי לפרק ולשבש תאים ורקמות למטרות שונות, כגון מיצוי של רכיבים תוך תאיים, השבתה מיקרוביאלית, או הכנת דגימה לניתוח. הגלים העל-קוליים בעוצמה גבוהה והקוויטציה הנוצרת כתוצאה מכך גורמים ללחץ מכני ולכוחות גזירה, וכתוצאה מכך להתפוררות מבני התא. במחקר ביולוגי ואבחון רפואי, אולטרסאונד מסוג בדיקה משמשים לליזה של תאים, תהליך של שבירת תאים פתוחים כדי לשחרר את המרכיבים התוך תאיים שלהם. אנרגיה על-קולית משבשת את דפנות התא, קרומי התאים והאברונים, ומאפשרת מיצוי חלבונים, דנ"א, רנ"א ומרכיבי תאים אחרים.
אלה הם חלק מהיישומים העיקריים של אולטרסאונד מסוג גשושית, אך לטכנולוגיה יש מגוון רחב עוד יותר של שימושים אחרים, כולל סונוכימיה, הפחתת גודל חלקיקים (כרסום רטוב), סינתזת חלקיקים מלמטה למעלה, וסינתזה סונו-סינתזה של חומרים כימיים בתעשיות שונות כגון תרופות, עיבוד מזון, ביוטכנולוגיה ומדעי הסביבה.
רצף מהיר (מ-a עד f) של פריימים הממחישים פילינג סונו-מכני של פתית גרפיט במים באמצעות UP200S, אולטרה-סאונד 200W עם סונוטרודה 3 מ"מ. חצים מראים את מקומם של חלקיקים מתפצלים עם בועות קוויטציה החודרות לפיצול.
© Tyurnina et al. 2020
נצלו את היתרונות של קוויטציה אולטראסונית!
הטבלה הבאה נותנת לך אינדיקציה ליכולת העיבוד המשוערת של האולטרסאונד שלנו:
| נפח אצווה | קצב זרימה | מכשירים מומלצים |
|---|---|---|
| 1 עד 500 מ"ל | 10 עד 200 מ"ל/דקה | UP100H |
| 10 עד 2000 מ"ל | 20 עד 400 מ"ל/דקה | UP200Ht, UP400ST |
| 00.1 עד 20 ליטר | 00.2 עד 4L/דקה | UIP2000hdT |
| 10 עד 100 ליטר | 2 עד 10 ליטר/דקה | UIP4000hdT |
| נ.א. | 10 עד 100 ליטר/דקה | UIP16000 |
| נ.א. | גדול | אשכול של UIP16000 |
וידאו של קביטציה אקוסטית בנוזל
הסרטון הבא מדגים קוויטציה אקוסטית במפל של UIP1000hdT האולטרה-סוני בעמוד זכוכית מלא מים. עמוד הזכוכית מואר מלמטה באור אדום על מנת לשפר את ההדמיה של בועות הקוויטציה.
Hielscher Ultrasonics מייצרת הומוגנייזרים קוליים בעלי ביצועים גבוהים לערבוב יישומים, פיזור, תחליב וחילוץ בקנה מידה מעבדתי, פיילוט ותעשייתי.
שאלות נפוצות
מהי קביטציה קולית?
קביטציה אולטראסונית היא תהליך של היווצרות, צמיחה והתמוטטות פתאומית של בועות מיקרוסקופיות בנוזל החשוף לגלי קול בעוצמה גבוהה. התמוטטותן של בועות אלה יוצרת גזירה מקומית עזה, סילוני נוזל מיקרוסקופיים, גלי הלם, שיפועי לחץ גבוהים ואפקטים חזקים של ערבוב מיקרוסקופי.
מה ההבדל בין קוויטציה אולטראסונית לקוויטציה אקוסטית?
"קביטציה אקוסטית" הוא המונח הכללי לקביטציה הנגרמת על ידי גלי קול. "קביטציה אולטראסונית" היא קביטציה אקוסטית הנוצרת על ידי תדרים אולטראסוניים, בדרך כלל מעל לטווח השמיעה. בעיבוד נוזלים תעשייתי, שני המונחים משמשים לעתים קרובות לתיאור קביטציה הנוצרת על ידי מכשירי אולטראסאונד בעלי הספק גבוה.
כיצד משפרת הקוויטציה האולטראסונית את עיבוד הנוזלים?
קביטציה אולטראסונית משפרת את עיבוד הנוזלים באמצעות יצירת השפעות מכניות וכימיות עוצמתיות בתוך הנוזל. ההשפעות המכניות תורמות לערבוב, להומוגניזציה, ליצירת תחליבים, לפירוק אגרגטים של חלקיקים, לטחינה רטובה, למיצוי ולפירוק תאים. במערכות תגובתיות, הקביטציה יכולה גם לקדם השפעות סונוכימיות ולשפר את העברת המסה.
באילו יישומים נעשה שימוש בקוויטציה אולטראסונית?
קביטציה אולטראסונית משמשת להומוגניזציה, פיזור, יצירת תחליבים, יצירת ננו-תחליבים, מיצוי, סילוק גזים, פירוק אגרגטים, הפחתת גודל חלקיקים, פירוק תאים, פירוק מיקרואורגניזמים, סונוכימיה, סונוקטליזה ותגובות מתקדמות בשלב נוזלי.
מדוע מכשירי אולטרה-סאונד מסוג בדיקה יעילים ליצירת קוויטציה?
מכשירים אולטראסוניים מסוג בדיקה מעבירים אנרגיית אולטראסאונד ישירות לנוזל באמצעות סונוטרוד. צימוד אנרגיה ישיר זה יוצר אזור קוויטציה עז בקרבת משטח הבדיקה ומאפשר כוונון מדויק של פרמטרים חשובים בתהליך, כגון משרעת, הספק כניסה, טמפרטורה, לחץ וזמן עיבוד.
האם אמבטיה אולטראסונית מתאימה ליצירת קוויטציה חזקה?
אמבטיות אולטראסוניות יוצרות קוויטציה, אך צפיפות האנרגיה בהן נמוכה בדרך כלל בהרבה ופחות ממוקדת בהשוואה למכשיר אולטראסוניק מסוג בדיקה. אמבטיות אלו שימושיות לניקוי ולטיפולים קלים, בעוד שמכשירים אולטראסוניים מסוג בדיקה מועדפים לצורך הומוגניזציה, מיצוי, יצירת תחליבים, פיזור, פירוק תאים ועיבוד נוזלים תעשייתי הניתנים לשחזור.
קראו וצפו בהבדלים בין מכשירי סוניקציה מסוג בדיקה לבין אמבטיות אולטרה-סאונד!
אילו פרמטרים משפיעים על עוצמת הקוויטציה האולטראסונית?
הפרמטרים החשובים כוללים משרעת, עוצמת הקול, שטח פני הסונוטרוד, נפח הנוזל, צמיגות, תכולת מוצקים, לחץ, טמפרטורה, גיאומטריית הכלי, גיאומטריית תא הזרימה, קצב הזרימה וזמן השהייה. התאמת פרמטרים אלה מאפשרת להתאים את עוצמת הקוויטציה ליעד התהליך.
האם ניתן להחיל את תופעת הקוויטציה האולטראסונית מהמעבדה לייצור?
כן. ניתן לפתח תהליכי קוויטציה אולטראסונית בהיקפים מעבדתיים ולהעבירם לקנה מידה פיילוטי או תעשייתי באמצעות בקרה על משרעת, צריכת האנרגיה, צורת הסונוטרוד, קצב הזרימה וזמן השהייה. חברת Hielscher מציעה מכשירי אולטראסוניקה וכורים לבדיקות מעבדה, ניסויים פיילוטיים וייצור תעשייתי רציף.
ספרות / מקורות
- Suslick, K.S. (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; 4th Ed. J. Wiley & Sons: New York, 1998, vol. 26, 517-541.
- Aharon Gedanken (2003): Sonochemistry and its application to nanochemistry. Current Science Vol. 85, No. 12 (25 December 2003), pp. 1720-1722.
- 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.
- Ali Gholami, Fathollah Pourfayaz, Akbar Maleki (2021): Techno-economic assessment of biodiesel production from canola oil through ultrasonic cavitation. Energy Reports, Volume 7, 2021. 266-277.
- Anastasia V. Tyurnina, Iakovos Tzanakis, Justin Morton, Jiawei Mi, Kyriakos Porfyrakis, Barbara M. Maciejewska, Nicole Grobert, Dmitry G. Eskin 2020): Ultrasonic exfoliation of graphene in water: A key parameter study. Carbon, Vol. 168, 2020.
Hielscher Ultrasonics מייצרת הומוגנייזרים קוליים בעלי ביצועים גבוהים מ המעבדה ל גודל תעשייתי.