Primjena snažnog ultrazvuka pomoću ultrazvučnih rogova

Ultrazvučne rogove ili sonde naširoko se koriste za različite aplikacije obrade tekućina, uključujući homogenizaciju, disperziju, mokro mljevenje, emulzifikaciju, ekstrakciju, dezintegraciju, otapanje i deaeraciju. Naučite osnove o ultrazvučnim rogovima, ultrazvučnim sondama i njihovoj primjeni.

Ultrazvučni rog protiv ultrazvučne sonde

Često se izraz ultrazvučna sirena i sonda koriste kao sinonimi i odnose se na ultrazvučnu šipku koja prenosi ultrazvučne valove u tekućinu. Ostali izrazi koji se koriste za ultrazvučnu sondu su akustični rog, sonotroda, akustični valovod ili ultrazvučni prst. Međutim, tehnički postoji razlika između ultrazvučne sirene i ultrazvučne sonde.
Oboje, sirena i sonda, odnose se na dijelove takozvanog ultrazvučnog uređaja tipa sonde. Ultrazvučna sirena je metalni dio ultrazvučne sonde, koji se pobuđuje piezoelektrično generiranim vibracijama. Ultrazvučna truba vibrira na određenoj frekvenciji, npr. 20 kHz, što znači 20 000 titraja u sekundi. Titan je preferirani materijal za izradu ultrazvučnih sirena zbog svojih izvrsnih svojstava akustičnog prijenosa, robusne čvrstoće na zamor i tvrdoće površine.

Ultrazvučna sonda se također naziva sonotroda ili ultrazvučni prst. To je metalna šipka, najčešće izrađena od titana, s navojem na ultrazvučni rog. Ultrazvučna sonda bitan je dio ultrazvučnog procesora koji prenosi ultrazvučne valove u ultrazvučni medij. Dostupne su ultrazvučne sonde / sonotrode u različitim oblicima (npr. stožasti, s vrhom, sužene ili kao Cascatrode). Dok je titan najčešće korišteni materijal za ultrazvučne sonde, postoje i sonotrode izrađene od nehrđajućeg čelika, keramike, stakla i drugih dostupnih materijala.

Budući da su ultrazvučna truba i sonda pod stalnom kompresijom ili napetošću tijekom sonikacije, odabir materijala trube i sonde je ključan. Visokokvalitetna legura titana (stupanj 5) smatra se najpouzdanijim, najizdržljivijim i najučinkovitijim metalom koji može izdržati stres, održati visoke amplitude tijekom dugih vremenskih razdoblja i prenijeti akustička i mehanička svojstva.

Ultrasonicators visokih performansi uglavnom rade u frekvencijskom rasponu od 20-30kHz. Na 20 kHz, ultrazvučna sonda je obično rezonantna šipka dugačka pola valne duljine, koja se neprestano širi i skuplja 20 000 puta u sekundi. Pokreti širenja i skupljanja prenose se kao ultrazvuk velike snage u procesni medij, tj. tekućinu ili kašu, kako bi se ispunile primjene kao što su

• ultrazvučno visokosmično miješanje
• ultrazvučno mokro mljevenje
• ultrazvučna disperzija nanočestica
• ultrazvučna nano-emulgacija
• ultrazvučna ekstrakcija
• ultrazvučna dezintegracija
• ultrazvučno razbijanje i lizu stanica
• ultrazvučno otplinjavanje i odzračivanje
• sonokemija (sonosinteza, sonokataliza)

Kako radi Power Ultrasound? – Princip rada akustične kavitacije

Za ultrazvučnu primjenu visokih performansi kao što je homogenizacija, smanjenje veličine čestica, dezintegracija ili nano-disperzije, ultrazvučni pretvarač generira ultrazvuk visokog intenziteta i niske frekvencije i prenosi ga preko ultrazvučne sirene i sonde (sonotrode) u tekućinu. Ultrazvukom velike snage smatra se ultrazvuk u rasponu od 16-30kHz. Ultrazvučna sonda se širi i skuplja npr. na 20 kHz, prenoseći tako 20 000 vibracija u sekundi u medij. Kada ultrazvučni valovi putuju kroz tekućinu, naizmjenični ciklusi visokog tlaka (kompresija) / niskog tlaka (razrjeđivanje/širenje) stvaraju sitne šupljine (vakuumske mjehuriće), koji rastu tijekom nekoliko ciklusa pritiska. Tijekom faze kompresije tekućine i mjehurića, tlak je pozitivan, dok faza razrjeđivanja stvara vakuum (negativan tlak). Tijekom ciklusa kompresije-ekspanzije, šupljine u tekućini rastu dok ne dosegnu veličinu pri kojoj ne mogu apsorbirati daljnju energiju. U ovom trenutku oni snažno eksplodiraju. Implozija tih šupljina rezultira različitim visoko energetskim efektima, koji su poznati kao fenomen akustične / ultrazvučne kavitacije. Akustičnu kavitaciju karakteriziraju višestruki visoko energetski učinci, koji utječu na tekućine, sustave kruto/tekuće kao i sustave plin/tekućina. Zona guste energije ili kavitacijska zona poznata je kao takozvana zona vruće točke, koja je energetski najgušća u neposrednoj blizini ultrazvučne sonde i smanjuje se s povećanjem udaljenosti od sonotrode. Glavne karakteristike ultrazvučne kavitacije uključuju lokalne vrlo visoke temperature i tlakove i odgovarajuće razlike, turbulencije i strujanje tekućine. Tijekom implozije ultrazvučnih šupljina u ultrazvučnim vrućim točkama mogu se mjeriti temperature do 5000 Kelvina, tlakovi do 200 atmosfera i mlazevi tekućine do 1000 km/h. Ovi izvanredno energetski intenzivni uvjeti doprinose sonomehaničkim i sonokemijskim učincima koji na različite načine intenziviraju procese i kemijske reakcije.
Glavni utjecaj ultrazvučne obrade na tekućine i kaše je sljedeći:

• Visoko smicanje: Ultrazvučne velike smične sile ometaju tekućine i sustave tekućina-kruto, uzrokujući intenzivno miješanje, homogenizaciju i prijenos mase.
• Udarac: Mlazovi tekućine i strujanje koje stvara ultrazvučna kavitacija ubrzavaju krute tvari u tekućinama, što dovodi do naknadnog sudara između čestica. Kada se čestice sudaraju pri vrlo velikim brzinama, one erodiraju, razbijaju se i fino melju i raspršuju, često do nano veličine. Za biološke tvari kao što su biljni materijali, mlazevi tekućine velike brzine i izmjenični ciklusi pritiska ometaju stanične stijenke i oslobađaju unutarstanični materijal. To rezultira vrlo učinkovitom ekstrakcijom bioaktivnih spojeva i homogenim miješanjem biološke tvari.
• Uznemirenost: Ultrasonication uzrokuje intenzivne turbulencije, sile smicanja i mikro-kretanja u tekućini ili kaši. Pritom sonikacija uvijek pojačava prijenos mase i time ubrzava reakcije i procese.

Ultrazvučni homogenizatori i miješalice s velikim smicanjem koriste se u gotovo svim prerađivačkim industrijama koje rade s tekućinama ili kašama. Intenzivne ultrazvučne kavitacijske sile stvaraju intenzivnu agitaciju, smicanje, lomljenje čestica i prijenos mase. Time se tekućine homogeniziraju, dispergiraju, emulgiraju, ekstrahiraju, otapaju i/ili pokreću kemijske reakcije. Sveukupno, ultrazvuk je metoda intenziviranja procesa koja povećava prinos, poboljšava stope pretvorbe i čini procese učinkovitijima.
Uobičajene ultrazvučne primjene u industriji raširene su u mnogim granama hrane & farmacija, fina kemija, energetika & petrokemija, recikliranje, biorafinerije itd. i uključuju sljedeće:

• ultrazvučna sinteza biodizela
• ultrazvučna homogenizacija voćnih sokova
• ultrazvučna proizvodnja cjepiva
• recikliranje ultrazvučne Li-ion baterije
• ultrazvučna sinteza nanomaterijala
• ultrazvučna formulacija lijekova
• ultrazvučna nanoemulgacija CBD-a
• ultrazvučna ekstrakcija biljaka
• ultrazvučna priprema uzoraka u laboratorijima
• ultrazvučno otplinjavanje tekućina
• ultrazvučno odsumporavanje sirove nafte
• i još mnogo toga …

Ultrazvučne trube i sonde za aplikacije visokih performansi

Hielscher Ultrasonics je dugogodišnji proizvođač i distributer ultrazvučnih uređaja velike snage, koji se širom svijeta koriste za teške primjene u mnogim industrijama.
S ultrazvučnim procesorima u svim veličinama od 50 watta do 16 kW po uređaju, sondama različitih veličina i oblika, ultrazvučnim reaktorima različitih volumena i geometrija, Hielscher Ultrasonics ima pravu opremu za konfiguriranje idealne ultrazvučne postavke za vašu primjenu.
Donja tablica daje vam naznaku približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja: