Ultrasonics: अनुप्रयोगों और प्रक्रियाओं

Ultrasonication एक यांत्रिक प्रसंस्करण विधि है जो असाधारण तीव्र ध्वनिक cavitation और संबंधित भौतिक बलों जैसे उच्च कतरनी बलों और उच्च दबाव अंतर बनाता है। इन अल्ट्रासोनिक रूप से जेनरेट किए गए बलों का उपयोग कई अनुप्रयोगों जैसे मिश्रण, समरूपता, मिलिंग, फैलाव, पायसीकरण, निष्कर्षण और सोनो-रासायनिक प्रतिक्रियाओं के लिए किया जाता है।
नीचे, आपको सबसे विशिष्ट अल्ट्रासोनिक अनुप्रयोगों और प्रक्रियाओं का चयन मिलेगा।

अल्ट्रासोनिक Homogenizing

अल्ट्रासोनिक होमोजेनाइज़र एकरूपता और फैलाव स्थिरता में सुधार करने के लिए एक तरल में छोटे कणों को कम करते हैं। कण (फैलाने वाला चरण) एक तरल चरण में निलंबित ठोस या तरल बूंदें हो सकती हैं। अल्ट्रासोनिक होमोजेनाइजिंग नरम और कठोर कणों की कमी के लिए बहुत कुशल है। Hielscher किसी भी तरल मात्रा के homogenization के लिए और बैच या इनलाइन प्रसंस्करण के लिए ultrasonicators बनाता है। प्रयोगशाला अल्ट्रासोनिक उपकरणों का उपयोग 1.5 एमएल से लगभग 4 एल तक की मात्रा के लिए किया जा सकता है। अल्ट्रासोनिक औद्योगिक उपकरण प्रक्रिया के विकास और वाणिज्यिक उत्पादन में 0.5 से लगभग 2000 एल या प्रवाह दरों को 0.1 एल से 20 क्यूबिक मीटर प्रति घंटे तक बैचों को संसाधित कर सकते हैं।
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अल्ट्रासोनिक डिसर्सिंग और डिग्लोमेशन

तरल पदार्थों में ठोस पदार्थों का फैलाव और डिएग्लोमरेशन जांच-प्रकार के अल्ट्रासोनिकेटरों का एक महत्वपूर्ण अनुप्रयोग है। ध्वनिक गुहिकायन उच्च कतरनी बलों को उत्पन्न करता है जो कण समूहों को व्यक्तिगत, एकल बिखरे हुए कणों में तोड़ते हैं। तरल पदार्थों में पाउडर का मिश्रण विभिन्न उत्पादों के निर्माण में एक आम कदम है, जैसे कि पेंट, वार्निश, कॉस्मेटिक उत्पाद, भोजन और पेय पदार्थ, या पॉलिशिंग मीडिया। व्यक्तिगत कणों को वैन-डेर-वाल्स-बलों और तरल सतह तनाव सहित विभिन्न भौतिक और रासायनिक प्रकृति के आकर्षण बलों द्वारा एक साथ रखा जाता है। अल्ट्रासोनिकेशन तरल मीडिया में कणों को डिग्लोमेरेट और फैलाने के लिए इन आकर्षण बलों पर काबू पाता है। तरल पदार्थों में पाउडर के फैलाव और डिग्लोमेरेशन के लिए, उच्च तीव्रता अल्ट्रासोनिकेशन उच्च दबाव होमोजेनाइज़र, उच्च कतरनी मिक्सर, मनका मिलों या रोटर-स्टेटर-मिक्सर के लिए एक दिलचस्प विकल्प है।
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अल्ट्रासोनिक Emulsification

मध्यवर्ती और उपभोक्ता उत्पादों की एक विस्तृत श्रृंखला, जैसे सौंदर्य प्रसाधन और त्वचा लोशन, फार्मास्युटिकल मलहम, वार्निश, पेंट और स्नेहक और ईंधन पूरी तरह से या भाग में इमल्शन पर आधारित हैं। इमल्शन दो या दो से अधिक अमिश्रणीय तरल चरणों के फैलाव हैं। अत्यधिक गहन अल्ट्रासाउंड दूसरे चरण (निरंतर चरण) में छोटी बूंदों में एक तरल चरण (छितरी हुई चरण) को फैलाने के लिए पर्याप्त तीव्र कतरनी की आपूर्ति करता है। फैलाने वाले क्षेत्र में, गुहिकायन बुलबुले को प्रभावित करने से आसपास के तरल में गहन सदमे तरंगें होती हैं और परिणामस्वरूप उच्च तरल वेग (उच्च कतरनी) के तरल जेट विमानों का गठन होता है। अल्ट्रासोनिकेशन को लक्ष्य पायस आकार के लिए ठीक से अनुकूलित किया जा सकता है जिससे सूक्ष्म-इमल्शन और नैनो-इमल्शन के विश्वसनीय उत्पादन की अनुमति मिलती है।
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अल्ट्रासोनिक गीला-मिलिंग और पीस

Ultrasonication गीला मिलिंग और कणों के सूक्ष्म पीसने के लिए एक कुशल साधन है। विशेष रूप से सुपरफाइन-आकार के स्लरी के निर्माण के लिए, अल्ट्रासाउंड के कई फायदे हैं। यह पारंपरिक आकार में कमी के उपकरण से बेहतर है, जैसे: कोलाइड मिल्स (जैसे बॉल मिल्स, मनका मिलें), डिस्क मिलें या जेट मिलें। Ultrasonication उच्च एकाग्रता और उच्च चिपचिपापन slurries प्रक्रिया कर सकते हैं - इसलिए मात्रा को संसाधित करने के लिए कम करने. बेशक, अल्ट्रासोनिक मिलिंग माइक्रोन-आकार और नैनो-आकार की सामग्री, जैसे सिरेमिक, पिगमेंट, बेरियम सल्फेट, कैल्शियम कार्बोनेट या धातु ऑक्साइड के प्रसंस्करण के लिए उपयुक्त है। विशेष रूप से जब नैनो-सामग्री की बात आती है, तो अल्ट्रासोनिकेशन प्रदर्शन में उत्कृष्टता प्राप्त करता है क्योंकि इसकी अत्यधिक प्रभावशाली कतरनी बल समान रूप से छोटे नैनोकणों का निर्माण करते हैं।
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स्प्रे-सूखे TiO2 से पहले और अल्ट्रासोनिक मिलिंग के बाद

अल्ट्रासोनिक सेल विघटन और लाइसिस

अल्ट्रासोनिक उपचार रेशेदार, सेल्यूलोसिक सामग्री को बारीक कणों में विघटित कर सकता है और कोशिका संरचना की दीवारों को तोड़ सकता है। यह इंट्रा-सेलुलर सामग्री का अधिक रिलीज करता है, जैसे स्टार्च या चीनी तरल में। इस प्रभाव का उपयोग किण्वन, पाचन और कार्बनिक पदार्थ की अन्य रूपांतरण प्रक्रियाओं के लिए किया जा सकता है। मिलिंग और पीसने के बाद, अल्ट्रासोनिकेशन इंट्रा-सेलुलर सामग्री का अधिक बनाता है जैसे स्टार्च के साथ-साथ कोशिका दीवार मलबे एंजाइमों के लिए उपलब्ध है जो स्टार्च को शर्करा में परिवर्तित करते हैं। यह द्रवीकरण या सैच्रिफिकेशन के दौरान एंजाइमों के संपर्क में आने वाले सतह क्षेत्र को भी बढ़ाता है। यह आम तौर पर खमीर किण्वन और अन्य रूपांतरण प्रक्रियाओं की गति और उपज में वृद्धि करता है, उदाहरण के लिए बायोमास से इथेनॉल उत्पादन को बढ़ावा देने के लिए।
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वनस्पतियों का अल्ट्रासोनिक निष्कर्षण

कोशिकाओं और उपकोशिकीय कणों में संग्रहीत बायोएक्टिव यौगिकों का निष्कर्षण उच्च तीव्रता अल्ट्रासाउंड का व्यापक रूप से उपयोग किया जाने वाला अनुप्रयोग है। अल्ट्रासोनिक निष्कर्षण का उपयोग पौधों और कवक के सेलुलर मैट्रिक्स से माध्यमिक मेटाबोलाइट्स (जैसे, पॉलीफेनोल्स), पॉलीसेकेराइड, प्रोटीन, आवश्यक तेलों और अन्य सक्रिय अवयवों को अलग करने के लिए किया जाता है। कार्बनिक यौगिकों के पानी और विलायक-निष्कर्षण के लिए उपयुक्त, सोनिकेशन पौधों या बीजों के भीतर निहित वनस्पति विज्ञान की उपज में काफी सुधार करता है। अल्ट्रासोनिक निष्कर्षण का उपयोग फार्मास्यूटिकल्स, न्यूट्रास्यूटिकल्स / पोषण की खुराक, सुगंध और जैविक योजक के उत्पादन के लिए किया जाता है। Ultrasonics एक हरे रंग की निष्कर्षण तकनीक है जिसका उपयोग बायोरिफाइनरी में बायोएक्टिव घटकों के निष्कर्षण के लिए भी किया जाता है, उदाहरण के लिए औद्योगिक प्रक्रियाओं में गठित गैर-उपयोग किए गए उप-उत्पाद धाराओं से मूल्यवान यौगिकों को जारी करें। अल्ट्रासोनिकेशन प्रयोगशाला और उत्पादन पैमाने पर वनस्पति निष्कर्षण के लिए एक अत्यधिक प्रभावी तकनीक है।
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Ultrasonics के Sonochemical आवेदन

सोनोकेमिस्ट्री रासायनिक प्रतिक्रियाओं और प्रक्रियाओं के लिए अल्ट्रासाउंड का अनुप्रयोग है। तरल पदार्थ में सोनोकेमिकल प्रभाव पैदा करने वाला तंत्र ध्वनिक कैविटेशन की घटना है। रासायनिक प्रतिक्रियाओं और प्रक्रियाओं के लिए सोनोकेमिकल प्रभावों में प्रतिक्रिया गति या उत्पादन में वृद्धि, अधिक कुशल ऊर्जा उपयोग, चरण हस्तांतरण उत्प्रेरक के प्रदर्शन में सुधार, धातुओं और ठोसओं की सक्रियता या अभिकर्मकों या उत्प्रेरक की प्रतिक्रियाशीलता में वृद्धि शामिल है।
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बायोडीजल के लिए तेल की अल्ट्रासोनिक ट्रान्सएस्टरीफिकेशन

Ultrasonication रासायनिक प्रतिक्रिया की गति और biodiesel में वनस्पति तेलों और पशु वसा के transesterification की उपज बढ़ जाती है। यह बैच प्रसंस्करण से निरंतर प्रवाह प्रसंस्करण में उत्पादन को बदलने की अनुमति देता है और यह निवेश और परिचालन लागत को कम करता है। अल्ट्रासोनिक बायोडीजल विनिर्माण के प्रमुख फायदों में से एक बेकार तेलों का उपयोग है जैसे कि खर्च किए गए खाना पकाने के तेल और अन्य खराब गुणवत्ता वाले तेल स्रोत। अल्ट्रासोनिक ट्रांसस्टेरिफिकेशन भी कम गुणवत्ता वाले फीडस्टॉक को उच्च गुणवत्ता वाले बायोडीजल (फैटी एसिड मिथाइल एस्टर / फेम) में परिवर्तित कर सकता है। वनस्पति तेलों या पशु वसा से बायोडीजल के निर्माण में संबंधित मिथाइल एस्टर या एथिल एस्टर देने के लिए मेथनॉल या इथेनॉल के साथ फैटी एसिड का आधार-उत्प्रेरित ट्रांसस्टेरिफिकेशन शामिल है। Ultrasonication 99% से अधिक में एक biodiesel उपज प्राप्त कर सकते हैं। अल्ट्रासाउंड प्रसंस्करण समय और जुदाई के समय को काफी कम कर देता है।
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अल्ट्रासोनिक डिगैसिंग और तरल पदार्थ के डी-वातन

तरल पदार्थ का डिगैसिंग जांच-प्रकार के अल्ट्रासोनिकेटरों का एक और महत्वपूर्ण अनुप्रयोग है। अल्ट्रासोनिक कंपन और गुहिकायन एक तरल में भंग गैसों के सम्मिलन का कारण बनता है। जैसे ही मिनट गैस बुलबुले एकजुट होते हैं, वे बड़े बुलबुले बनाते हैं जो तरल की शीर्ष सतह पर जल्दी से तैरते हैं, उन्हें हटाया जा सकता है। इस प्रकार, अल्ट्रासोनिक डिगैसिंग और डीरेशन प्राकृतिक संतुलन स्तर से नीचे भंग गैस के स्तर को कम कर सकता है।
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अल्ट्रासोनिक तार, केबल और पट्टी सफाई

अल्ट्रासोनिक सफाई तार और केबल, टेप या ट्यूब जैसे निरंतर सामग्रियों की सफाई के लिए एक पर्यावरण के अनुकूल विकल्प है। शक्तिशाली अल्ट्रासोनिक गुहिकायन का प्रभाव सामग्री की सतह से तेल या तेल, साबुन, स्टीयरेट्स या धूल जैसे स्नेहन अवशेषों को हटा देता है। Hielscher Ultrasonics निरंतर प्रोफाइल की इनलाइन सफाई के लिए विभिन्न अल्ट्रासोनिक सिस्टम प्रदान करता है।
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अल्ट्रासोनिक प्रसंस्करण के कार्य सिद्धांत और उपयोग

Ultrasonication एक वाणिज्यिक प्रसंस्करण प्रौद्योगिकी है, जिसे बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए कई उद्योगों द्वारा अपनाया गया है। उच्च विश्वसनीयता और स्केलएबिलिटी के साथ-साथ कम रखरखाव लागत और उच्च ऊर्जा दक्षता अल्ट्रासोनिक प्रोसेसर को पारंपरिक तरल प्रसंस्करण उपकरण ों के लिए एक अच्छा विकल्प बनाती है। अल्ट्रासाउंड अतिरिक्त रोमांचक अवसर प्रदान करता है: गुहिकायन - मूल अल्ट्रासोनिक प्रभाव - जैविक, रासायनिक और भौतिक प्रक्रियाओं में अद्वितीय परिणाम उत्पन्न करता है। उदाहरण के लिए, अल्ट्रासोनिक फैलाव और पायसीकरण आसानी से स्थिर नैनो आकार के योगों का उत्पादन करता है। इसके अलावा वनस्पति निष्कर्षण के क्षेत्र में, अल्ट्रासाउंड बायोएक्टिव यौगिकों को अलग करने के लिए एक गैर-थर्मल तकनीक है।

जबकि कम तीव्रता या उच्च आवृत्ति अल्ट्रासाउंड मुख्य रूप से विश्लेषण, गैर-विनाशकारी परीक्षण और इमेजिंग के लिए उपयोग किया जाता है, उच्च तीव्रता वाले अल्ट्रासाउंड का उपयोग तरल पदार्थ और पेस्ट के प्रसंस्करण के लिए किया जाता है, जहां गहन अल्ट्रासाउंड तरंगों का उपयोग मिश्रण, पायसीकारी, फैलाने और डिग्लोमेरेशन, सेल विघटन या एंजाइम निष्क्रियकरण के लिए किया जाता है। उच्च तीव्रता पर तरल पदार्थों को सोनिकेट करते समय, ध्वनि तरंगें तरल मीडिया के माध्यम से फैलती हैं। इसके परिणामस्वरूप आवृत्ति के आधार पर दरों के साथ उच्च दबाव (संपीड़न) और कम दबाव (दुर्लभता) चक्रों को वैकल्पिक किया जाता है। कम दबाव चक्र के दौरान, उच्च तीव्रता अल्ट्रासोनिक तरंगें तरल में छोटे वैक्यूम बुलबुले या रिक्तियां बनाती हैं। जब बुलबुले एक मात्रा प्राप्त करते हैं जिस पर वे अब ऊर्जा को अवशोषित नहीं कर सकते हैं, तो वे उच्च दबाव चक्र के दौरान हिंसक रूप से ढह जाते हैं। इस घटना को गुहिकायन कहा जाता है। इम्प्लोज़न के दौरान बहुत अधिक तापमान (लगभग 5,000K) और दबाव (लगभग 2,000 एटीएम) स्थानीय रूप से पहुंच जाते हैं। गुहिकायन बुलबुले के विघटन के परिणामस्वरूप 280 मीटर प्रति सेकंड वेग तक के तरल जेट भी होते हैं।

तरल पदार्थ में अल्ट्रासोनिक गुहिकायन तेजी से और पूर्ण डिगैसिंग का कारण बन सकता है; मुक्त रासायनिक आयनों (कणों) उत्पन्न करके विभिन्न रासायनिक प्रतिक्रियाओं को आरंभ करें; अभिकारकों के मिश्रण को सुविधाजनक बनाकर रासायनिक प्रतिक्रियाओं में तेजी लाना; समुच्चय को फैलाकर या बहुलक श्रृंखलाओं में रासायनिक बांडों को स्थायी रूप से तोड़कर बहुलककरण और डीपोलीमराइजेशन प्रतिक्रियाओं को बढ़ाएं; पायसीकरण दर में वृद्धि; प्रसार दर में सुधार; माइक्रोन-आकार या नैनो-आकार सामग्री के अत्यधिक केंद्रित इमल्शन या समान फैलाव का उत्पादन; पशु, पौधे, खमीर, या जीवाणु कोशिकाओं से एंजाइम जैसे पदार्थों के निष्कर्षण में सहायता; संक्रमित ऊतक से वायरस को हटा दें; और अंत में, सूक्ष्म जीवों सहित अतिसंवेदनशील कणों को मिटा दें और तोड़ दें। (सीएफ कुल्डिलोके 2002)

उच्च तीव्रता अल्ट्रासाउंड कम चिपचिपापन तरल पदार्थ में हिंसक आंदोलन पैदा करता है, जिसका उपयोग तरल पदार्थ में सामग्री को फैलाने के लिए किया जा सकता है। (सीएफ एन्समिंगर, 1988) ठोस इंटरफेस पर, गुहिकायन बुलबुले के असममित इम्प्लोज़न चरम अशांति का कारण बन सकते हैं जो प्रसार सीमा परत को कम करते हैं, संवहन द्रव्यमान हस्तांतरण को बढ़ाते हैं, और उन प्रणालियों में प्रसार में काफी तेजी लाते हैं जहां साधारण मिश्रण संभव नहीं है। (सीएफ नायबोर्ग, 1965)