קוויטציה אולטרסונית בנוזלים
קוויטציה אולטרסונית היא הכוח המניע מאחורי עיבוד נוזלים באמצעות אולטרסאונד בעוצמה גבוהה. כאשר מצמדים אולטרסאונד רב־עוצמה לנוזל, נוצרות בו בועות אדים מיקרוסקופיות, הגדלות וקורסות בעוצמה רבה. קוויטציה אקוסטית זו יוצרת כוחות גזירה מקומיים עזים, מיקרו־סילונים, גלי הלם, שינויי לחץ והשפעות של מיקרו־ערבוב, שיכולים להאיץ הומוגניזציה, פיזור, תחלוב, מיצוי, סילוק גזים, פירוק תאים ותגובות סונוכימיות.
סוניקטורים מסוג גשושית של Hielscher משתמשים בקוויטציה אקוסטית מבוקרת כדי להעביר אנרגיה אולטרסונית ישירות לנוזלים, לתרחיפים ולתרחיפים סמיכים. החל מדגימות מעבדה קטנות ועד לייצור תעשייתי רציף בזרימה, מערכות Hielscher מאפשרות לכם לכוונן את המשרעת, את גאומטריית הסונוטרודה, את הלחץ, את הטמפרטורה, את ספיקת הזרימה ואת זמן השהייה, לקבלת תוצאות קוויטציה הניתנות לשחזור.
- למעבדות: פתחו ובצעו אופטימיזציה של פרמטרי סוניקציה בנפחים קטנים.
- למתקני פיילוט: אמתו תהליכים המונעים באמצעות קוויטציה בתנאי עיבוד מציאותיים.
- לייצור: הגדילו את קנה המידה של קוויטציה אולטרסונית לתהליכים באצווה, בסחרור חוזר או בזרימה רציפה בקו.
ספרו לנו מהו הנוזל שלכם, מהו נפח האצווה או מהי ספיקת הזרימה, ומהם הצמיגות, תכולת המוצקים, מגבלות הטמפרטורה ותוצאת התהליך הרצויה. נמליץ על התצורה האופטימלית של הסוניקטור, הסונוטרודה ותא הזרימה עבור יישום הקוויטציה שלכם.
סוניקטורים מסוג גשושית כגון UP400St פועלים על פי עקרון הפעולה של קוויטציה אקוסטית.
עקרון הפעולה של קוויטציה אולטרסונית
בעת ביצוע סוניקציה של נוזלים בעוצמות גבוהות, גלי הקול המתפשטים בתווך הנוזלי יוצרים מחזורים מתחלפים של לחץ גבוה (דחיסה) ולחץ נמוך (הקלשה), בקצב התלוי בתדר. במהלך מחזור הלחץ הנמוך, גלים אולטרסוניים בעוצמה גבוהה יוצרים בנוזל בועות ריק קטנות או חללים. כאשר הבועות מגיעות לנפח שבו הן אינן יכולות עוד לספוג אנרגיה, הן קורסות בעוצמה רבה במהלך מחזור של לחץ גבוה. תופעה זו מכונה קוויטציה. במהלך הקריסה פנימה נוצרות מקומית טמפרטורות גבוהות מאוד (כ־5,000K) ולחצים גבוהים מאוד (כ־2,000atm). קריסת בועת הקוויטציה פנימה יוצרת גם סילוני נוזל במהירות של עד 280m/s.
קוויטציה אקוסטית (הנוצרת באמצעות אולטרסאונד רב־עוצמה) יוצרת תנאים קיצוניים באופן מקומי, המכונים השפעות סונומכניות וסונוכימיות. בשל השפעות אלה, סוניקציה מקדמת תגובות כימיות המובילות לניצולות גבוהות יותר, למהירות תגובה גבוהה יותר, למסלולי תגובה חדשים ולשיפור היעילות הכוללת.
סוניקטור מסוג גשושית או אמבט אולטרסוני: איזו שיטת קוויטציה מתאימה?
סוניקטורים מסוג גשושית ואמבטיות אולטרסוניות מייצרים שניהם קוויטציה אקוסטית, אך הם נבדלים משמעותית בעוצמה, בבקרה ובאמינות התהליך. בעוד שאמבטיות אולטרסוניות מועילות לניקוי, סוניקטורים מסוג גשושית מצמדים אנרגיה אולטרסונית ישירות לנוזל ויוצרים אזור קוויטציה ממוקד וחזק הרבה יותר. משום כך, סוניקטורים מסוג גשושית הם הבחירה המועדפת ליישומי עיבוד נוזלים שתוצאותיהם ניתנות לשחזור, כגון הומוגניזציה, תחלוב, מיצוי, פירוק תאים, פיזור ננו־חלקיקים ותגובות סונוכימיות.
| קריטריונים להשוואה | סוניקטור מסוג גשושית | אמבט אולטרסוני |
|---|---|---|
| עוצמת הקוויטציה | מייצר קוויטציה אקוסטית בעוצמה גבוהה ישירות בקצה הסונוטרודה. | מייצר קוויטציה חלשה יותר המתפזרת על פני נפח האמבט. |
| העברת אנרגיה | מעביר אנרגיה אולטרסונית ישירות לנוזל, לתרחיף או לתרחיף הסמיך. | מעביר אנרגיה בעקיפין דרך נוזל האמבט ודופן הכלי. |
| בקרת תהליך | מאפשר כוונון מדויק של המשרעת, ההספק המוזן, מצב הפעימה, הטמפרטורה ומשך העיבוד. | מציע שליטה מוגבלת באנרגיה האולטרסונית המגיעה בפועל לדגימה. |
| יכולת שחזור | מספק תוצאות סוניקציה הניתנות לשחזור כאשר פרמטרי התהליך מוגדרים ומנוטרים. | התוצאות עשויות להשתנות עקב פיזור לא אחיד של הקוויטציה, מיקום הכלי, החומר שממנו עשוי הכלי, מפלס המילוי והעומס באמבט. |
| יעילות העיבוד | יעיל מאוד להומוגניזציה, לפיזור, לתחלוב, למיצוי, לפירוק תאים ולסונוכימיה. | מתאים בעיקר לניקוי. |
| נפח הדגימה | זמין לדגימות מעבדה קטנות וכן לנפחים בקנה מידה ניסיוני ותעשייתי. | משמש בדרך כלל לכלים קטנים או למספר מכלים המוצבים בתוך האמבט. |
| הגדלת קנה מידה | ניתן להגדיל את קנה המידה מבדיקות מעבדה לניסויי פיילוט ולעיבוד תעשייתי רציף בקו הייצור. | קשה להגדיל את קנה המידה באופן אמין, משום שלא ניתן להעביר בקלות את פיזור האנרגיה ואת עוצמת הקוויטציה מקנה מידה אחד לאחר. |
| תווכים מתאימים | יעיל לנוזלים, לתחליבים, לתרחיפים, לתרחיפים סמיכים ולפורמולציות בעלות תכולת מוצקים גבוהה. | מתאים ביותר לנוזלים בעלי צמיגות נמוכה ולמשימות פשוטות של ניקוי או סילוק גזים. |
| יישומים אופייניים | פיזור ננו־חלקיקים, ננו־תחליבים, מיצוי, ליזיס של תאים, הומוגניזציה, פירוק אגלומרטים, טחינה רטובה ותגובות סונוכימיות. | ניקוי כלי זכוכית, סילוק גזים מנוזלים, המסת אבקות וערבול עדין של דגימות. |
| הבחירה הטובה ביותר עבור | עיבוד אולטרסוני מבוקר ועוצמתי של נוזלים עם תוצאות הניתנות לשחזור. | ניקוי פשוט או טיפול אולטרסוני בעוצמה נמוכה. |
יישומים מרכזיים של סוניקטורים וקוויטציה אקוסטית
מכשירים אולטרסוניים מסוג גשושית, המכונים גם גשושיות אולטרסוניות, מייצרים ביעילות קוויטציה אקוסטית עזה בנוזלים. לכן הם נמצאים בשימוש נרחב ביישומים מגוונים בתעשיות שונות. כמה מהיישומים החשובים ביותר של קוויטציה אקוסטית הנוצרת באמצעות מכשירים אולטרסוניים מסוג גשושית כוללים:
- הומוגניזציה: גשושיות אולטרסוניות יכולות לייצר קוויטציה עזה, המתאפיינת בשדה בעל צפיפות אנרגיה גבוהה של תנודות וכוחות גזירה. כוחות אלה מספקים ערבוב, מיזוג והקטנת גודל חלקיקים ברמה מצוינת. הומוגניזציה אולטרסונית מייצרת תרחיפים המעורבבים באופן אחיד. לכן סוניקציה משמשת לייצור תרחיף קולואידי הומוגני בעל עקומות התפלגות צרות.
- פיזור ננו־חלקיקים: מכשירים אולטרסוניים משמשים לפיזור, לפירוק אגלומרטים ולטחינה רטובה של ננו־חלקיקים. גלי אולטרסאונד בתדר נמוך יכולים לייצר קוויטציה רבת־עוצמה, המפרקת אגלומרטים ומקטינה את גודל החלקיקים. בפרט, כוחות הגזירה הגבוהים של סילוני הנוזל מאיצים חלקיקים בנוזל, המתנגשים זה בזה (התנגשות בין חלקיקים), וכתוצאה מכך החלקיקים נשברים ונשחקים. כך מתקבל פיזור אחיד ויציב של חלקיקים, המונע שקיעה. הדבר חיוני בתחומים שונים, ובהם ננוטכנולוגיה, מדע החומרים ותעשיית התרופות.
- תחלוב וערבוב: מכשירים אולטרסוניים מסוג גשושית משמשים ליצירת תחליבים ולערבוב נוזלים. האנרגיה האולטרסונית גורמת לקוויטציה, כלומר להיווצרות ולקריסה של בועות מיקרוסקופיות, היוצרות כוחות גזירה מקומיים עזים. תהליך זה מסייע בתחלוב נוזלים שאינם מתערבבים זה בזה, ומפיק תחליבים יציבים בעלי פיזור עדין.
- מיצוי: הודות לכוחות הגזירה הנוצרים בקוויטציה, מכשירים אולטרסוניים יעילים מאוד בפירוק מבנים תאיים ובשיפור מעבר המסה בין מוצק לנוזל. לכן מיצוי אולטרסוני נמצא בשימוש נרחב לשחרור חומר תוך־תאי, כגון תרכובות בעלות פעילות ביולוגית, לצורך ייצור תמציות צמחיות באיכות גבוהה.
- סילוק גזים וסילוק אוויר: מכשירים אולטרסוניים מסוג גשושית משמשים להסרת בועות גז או גזים מומסים מנוזלים. הפעלת קוויטציה אולטרסונית מקדמת את התאחדותן של בועות גז, כך שהן גדלות וצפות אל פני הנוזל. קוויטציה אולטרסונית הופכת את סילוק הגזים להליך מהיר ויעיל. הדבר מועיל בתעשיות שונות, למשל בצבעים, בנוזלים הידראוליים או בעיבוד מזון ומשקאות, שבהם נוכחות גזים עלולה להשפיע לרעה על איכות המוצר ויציבותו.
- סונוקטליזה: ניתן להשתמש בגשושיות אולטרסוניות לסונוקטליזה, תהליך המשלב קוויטציה אקוסטית עם זרזים לשיפור תגובות כימיות. הקוויטציה הנוצרת באמצעות גלים אולטרסוניים משפרת את מעבר המסה, מגבירה את קצבי התגובה ומקדמת יצירת רדיקלים חופשיים, וכך מובילה להתמרות כימיות יעילות ובררניות יותר.
- הכנת דגימות: מכשירים אולטרסוניים מסוג גשושית משמשים בדרך כלל במעבדות להכנת דגימות. הם משמשים להומוגניזציה, לפירוק צברים ולמיצוי של דגימות ביולוגיות, כגון תאים, רקמות ונגיפים. האנרגיה האולטרסונית הנוצרת באמצעות הגשושית מפרקת את קרומי התאים, משחררת את תכולת התאים ומקלה על המשך האנליזה.
- התפרקות ופירוק תאים: מכשירים אולטרסוניים מסוג גשושית משמשים לפירוק תאים ורקמות למטרות שונות, כגון מיצוי רכיבים תוך־תאיים, השבתת מיקרואורגניזמים או הכנת דגימות לאנליזה. הגלים האולטרסוניים בעוצמה גבוהה והקוויטציה הנוצרת בעקבותיהם גורמים למאמצים מכניים ולכוחות גזירה, המביאים להתפרקות מבני התאים. במחקר ביולוגי ובאבחון רפואי, מכשירים אולטרסוניים מסוג גשושית משמשים לליזיס של תאים, תהליך שבו התאים נפרצים כדי לשחרר את רכיביהם התוך־תאיים. אנרגיה אולטרסונית מפרקת דופנות תאים, קרומים ואברונים, ומאפשרת מיצוי חלבונים, DNA, RNA ומרכיבים תאיים אחרים.
אלה כמה מהיישומים המרכזיים של מכשירים אולטרסוניים מסוג גשושית, אך לטכנולוגיה מגוון רחב עוד יותר של שימושים אחרים, ובהם סונוכימיה, הקטנת גודל חלקיקים (טחינה רטובה), סינתזת חלקיקים בגישת מלמטה למעלה וסינתזה בסיוע אולטרסאונד של חומרים כימיים וחומרים בתעשיות שונות, כגון תעשיית התרופות, עיבוד מזון, ביוטכנולוגיה ומדעי הסביבה.
רצף תמונות שצולם במהירות גבוהה (מ־a עד f), המדגים קילוף סונו־מכני של פתית גרפיט במים באמצעות UP200S, מכשיר אולטרסוני בהספק 200W עם סונוטרודה של 3 mm. החצים מצביעים על מקום פיצול החלקיקים, שבו בועות קוויטציה חודרות לסדק.
© Tyurnina et al. 2020
נצלו את יתרונות הקוויטציה האולטרסונית!
הטבלה שלהלן נותנת מושג על 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 | מערך של UIP16000 |
סרטון של קוויטציה אקוסטית בנוזל
הסרטון הבא מדגים קוויטציה אקוסטית ב־cascatrode של המכשיר האולטרסוני UIP1000hdT בתוך עמודת זכוכית מלאה במים. עמודת הזכוכית מוארת מלמטה באור אדום כדי לשפר את נראות בועות הקוויטציה.
Hielscher Ultrasonics מייצרת הומוגנייזרים אולטרסוניים בעלי ביצועים גבוהים ליישומי ערבוב, פיזור, תחלוב ומיצוי בקנה מידה מעבדתי, בקנה מידה של פיילוט ובקנה מידה תעשייתי.
שאלות נפוצות
מהי קוויטציה אולטרסונית?
קוויטציה אולטרסונית היא היווצרותן, גדילתן וקריסתן העזה של בועות מיקרוסקופיות בנוזל החשוף לאולטרסאונד בעוצמה גבוהה. קריסת הבועות האלה יוצרת כוחות גזירה מקומיים עזים, מיקרו־סילוני נוזל, גלי הלם, מפלי לחץ גבוהים והשפעות חזקות של מיקרו־ערבוב.
מה ההבדל בין קוויטציה אולטרסונית לקוויטציה אקוסטית?
קוויטציה אקוסטית היא המונח הכללי לקוויטציה הנגרמת מגלי קול. קוויטציה אולטרסונית היא קוויטציה אקוסטית הנוצרת בתדרים אולטרסוניים, בדרך כלל מעל תחום השמיעה. בעיבוד נוזלים תעשייתי, שני המונחים משמשים לעיתים קרובות לתיאור קוויטציה הנוצרת באמצעות מכשירים אולטרסוניים בהספק גבוה.
כיצד קוויטציה אולטרסונית משפרת את עיבוד הנוזלים?
קוויטציה אולטרסונית משפרת את עיבוד הנוזלים באמצעות יצירת השפעות מכניות וכימיות עזות בתוך הנוזל. ההשפעות המכניות מסייעות לערבול, להומוגניזציה, לתחלוב, לפירוק אגלומרטים של חלקיקים, לטחינה רטובה, למיצוי ולפירוק תאים. במערכות שבהן מתרחשות תגובות, קוויטציה יכולה גם לקדם השפעות סונוכימיות ולשפר את מעבר המסה.
באילו יישומים משתמשים בקוויטציה אולטרסונית?
קוויטציה אולטרסונית משמשת להומוגניזציה, לפיזור, לתחלוב, לננו־תחלוב, למיצוי, לסילוק גזים, לפירוק אגלומרטים, להקטנת גודל חלקיקים, לליזיס של תאים, לפירוק מיקרואורגניזמים, לסונוכימיה, לסונוקטליזה ולתגובות מתקדמות בפאזה הנוזלית.
מדוע מכשירים אולטרסוניים מסוג גשוש יעילים ליצירת קוויטציה?
מכשירים אולטרסוניים מסוג גשוש מעבירים אנרגיה אולטרסונית ישירות לתוך הנוזל באמצעות סונוטרודה. צימוד ישיר זה של אנרגיה יוצר אזור קוויטציה עזה בקרבת פני הגשוש ומאפשר התאמה מדויקת של פרמטרים חשובים בתהליך, כגון משרעת, הספק מוזן, טמפרטורה, לחץ וזמן עיבוד.
האם אמבט אולטרסוני מתאים ליצירת קוויטציה חזקה?
אמבטיות אולטרסוניות יוצרות קוויטציה, אך צפיפות האנרגיה בהן בדרך כלל נמוכה בהרבה וממוקדת פחות מזו שבמכשיר סוניקציה מסוג גשוש. אמבטיות שימושיות לניקוי ולטיפול עדין, ואילו מכשירים אולטרסוניים מסוג גשוש מועדפים להומוגניזציה, למיצוי, לתחלוב, לפיזור ולפירוק תאים עם תוצאות הניתנות לשחזור, וכן לעיבוד נוזלים תעשייתי.
קראו וצפו בהבדלים בין מכשירי סוניקציה מסוג גשוש לבין אמבטיות אולטרסוניות!
אילו פרמטרים משפיעים על עוצמת הקוויטציה האולטרסונית?
פרמטרים חשובים כוללים משרעת, הספק אולטרסוני, שטח הפנים של הסונוטרודה, נפח הנוזל, צמיגות, תכולת מוצקים, לחץ, טמפרטורה, גאומטריית הכלי, גאומטריית תא הזרימה, ספיקת זרימה וזמן שהייה. כוונון פרמטרים אלה מאפשר להתאים את עוצמת הקוויטציה ליעד התהליך.
האם ניתן להגדיל את קנה המידה של קוויטציה אולטרסונית ממעבדה לייצור?
כן. ניתן לפתח תהליכי קוויטציה אולטרסונית בנפחים מעבדתיים ולהעבירם לקנה מידה של פיילוט או לקנה מידה תעשייתי באמצעות בקרה על המשרעת, האנרגיה המוזנת, גאומטריית הסונוטרודה, ספיקת הזרימה וזמן השהייה. Hielscher מציעה מכשירים אולטרסוניים וכורים לבדיקות מעבדה, לניסויי פיילוט ולייצור 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.
