Primjena ultrazvuka velike snage pomoću ultrazvučnih rogova

Ultrazvučni rogovi ili sonde široko se upotrebljavaju za raznovrsne postupke obrade tekućina, uključujući homogenizaciju, dispergiranje, mokro mljevenje, emulgiranje, ekstrakciju, dezintegraciju, otapanje i odzračivanje. Upoznajte osnove ultrazvučnih rogova, ultrazvučnih sondi i njihovih primjena.

Ultrazvučni rog u usporedbi s ultrazvučnom sondom

Pojmovi ultrazvučni rog i ultrazvučna sonda često se upotrebljavaju kao istoznačnice i odnose se na ultrazvučni štap koji prenosi ultrazvučne valove u tekućinu. Drugi nazivi za ultrazvučnu sondu jesu akustički rog, sonotroda, akustički valovod ili ultrazvučni prst. Međutim, tehnički postoji razlika između ultrazvučnog roga i ultrazvučne sonde.
I rog i sonda dijelovi su takozvanog ultrazvučnog uređaja sa sondom. Ultrazvučni rog metalni je dio ultrazvučnog pretvornika koji se pobuđuje piezoelektrički generiranim vibracijama. Ultrazvučni rog vibrira na određenoj frekvenciji, npr. 20kHz, što znači 20.000 vibracija u sekundi. Titanij je preferirani materijal za izradu ultrazvučnih rogova zbog svojih izvrsnih svojstava prijenosa zvuka, visoke zamorne čvrstoće i površinske tvrdoće.

Ultrazvučna sonda naziva se i sonotroda ili ultrazvučni prst. To je metalni štap, najčešće izrađen od titanija, koji se navojem pričvršćuje na ultrazvučni rog. Ultrazvučna sonda ključni je dio ultrazvučnog procesora koji prenosi ultrazvučne valove u medij podvrgnut sonikaciji. Ultrazvučne sonde / sonotrode dostupne su u različitim oblicima (npr. stožaste, sa šiljastim vrhom, sužene ili u obliku Cascatrode). Iako je titanij najčešće korišten materijal za ultrazvučne sonde, dostupne su i sonotrode od nehrđajućeg čelika, keramike, stakla i drugih materijala.

Budući da su ultrazvučni rog i sonda tijekom sonikacije stalno izloženi tlačnom ili vlačnom opterećenju, odabir njihova materijala od presudne je važnosti. Visokokvalitetna titanijeva legura (razred 5) smatra se najpouzdanijim, najtrajnijim i najučinkovitijim metalom za podnošenje naprezanja, dugotrajno održavanje visokih amplituda te prijenos akustičkih i mehaničkih svojstava.

Otapanje je česta primjena ultrazvučne obrade. Videozapis prikazuje brzo otapanje kristala šećera u vodi uređajem Hielscher UP200St.

Ultrazvučni uređaji visokih performansi uglavnom rade u frekvencijskom rasponu od 20–30kHz. Pri 20 kHz ultrazvučna sonda obično je rezonantni štap duljine polovice valne duljine, koji se neprestano širi i skuplja 20.000 puta u sekundi. Pokreti širenja i skupljanja prenose se kao ultrazvuk velike snage u procesni medij, odnosno fluid ili suspenziju, radi provedbe postupaka kao što su

• ultrazvučno miješanje uz visoko smicanje
• ultrazvučno mokro mljevenje
• ultrazvučno dispergiranje nanočestica
• ultrazvučno nanoemulgiranje
• ultrazvučna ekstrakcija
• ultrazvučna dezintegracija
• ultrazvučno razaranje stanica i liza
• ultrazvučno otplinjavanje i odzračivanje
• sonokemija (sonosinteza, sonokataliza)

Kako djeluje ultrazvuk velike snage? – Načelo djelovanja akustičke kavitacije

Za ultrazvučne primjene visokih performansi, kao što su homogenizacija, smanjenje veličine čestica, dezintegracija ili nanodisperzije, ultrazvučni pretvornik generira ultrazvuk visokog intenziteta i niske frekvencije te ga putem ultrazvučnog roga i sonde (sonotrode) prenosi u tekućinu. Ultrazvukom velike snage smatra se ultrazvuk u rasponu od 16–30kHz. Ultrazvučna sonda širi se i skuplja, primjerice pri 20kHz, prenoseći pritom 20.000 vibracija u sekundi u medij. Kada ultrazvučni valovi putuju kroz tekućinu, izmjenični ciklusi visokog tlaka (kompresije) / niskog tlaka (razrjeđivanja / ekspanzije) stvaraju sićušne šupljine (vakuumske mjehuriće), koje rastu tijekom nekoliko ciklusa tlaka. Tijekom faze kompresije tekućine i mjehurića tlak je pozitivan, dok faza razrjeđivanja stvara vakuum (negativan tlak). Tijekom ciklusa kompresije i ekspanzije šupljine u tekućini rastu dok ne dosegnu veličinu pri kojoj više ne mogu apsorbirati energiju. U tom trenutku silovito implodiraju. Implozija tih šupljina uzrokuje različite visokoenergetske učinke, poznate kao pojava akustičke / ultrazvučne kavitacije. Akustičku kavitaciju karakteriziraju raznovrsni visokoenergetski učinci koji djeluju na tekućine, sustave krutina/tekućina te sustave plin/tekućina. Zona visoke gustoće energije ili kavitacijska zona poznata je kao takozvana zona vrućih točaka, u kojoj je gustoća energije najveća u neposrednoj blizini ultrazvučne sonde, a opada s povećanjem udaljenosti od sonotrode. Glavne značajke ultrazvučne kavitacije uključuju lokalnu pojavu vrlo visokih temperatura i tlakova te njihovih razlika, turbulencije i strujanje tekućine. Tijekom implozije ultrazvučnih šupljina u ultrazvučnim vrućim točkama mogu se izmjeriti temperature do 5000 kelvina, tlakovi do 200 atmosfera i mlazovi tekućine brzine do 1000km/h. Ti iznimni uvjeti visoke energije pridonose sonomehaničkim i sonokemijskim učincima koji na različite načine intenziviraju procese i kemijske reakcije.
Glavni učinci ultrazvučne obrade na tekućine i suspenzije jesu sljedeći:

• Visoko smicanje: Visoke ultrazvučne smične sile razaraju tekućine i sustave tekućina–krutina, uzrokujući intenzivno miješanje, homogenizaciju i prijenos tvari.
• Udar: Mlazovi tekućine i strujanje nastali ultrazvučnom kavitacijom ubrzavaju krutine u tekućinama, što potom dovodi do sudara među česticama. Kada se čestice sudaraju pri vrlo velikim brzinama, erodiraju, lome se te se fino melju i dispergiraju, često sve do nanoveličine. U biološkoj tvari, poput biljnih materijala, mlazovi tekućine velike brzine i izmjenični ciklusi tlaka razaraju stanične stijenke i oslobađaju unutarstanični materijal. To rezultira vrlo učinkovitom ekstrakcijom bioaktivnih spojeva i homogenim miješanjem biološke tvari.
• Miješanje: Ultrazvučna obrada uzrokuje intenzivne turbulencije, smične sile i mikrogibanja u tekućini ili suspenziji. Time sonikacija uvijek intenzivira prijenos tvari te tako ubrzava reakcije i procese.

Ultrazvučni homogenizatori i miješalice s visokim smicanjem upotrebljavaju se u gotovo svakoj prerađivačkoj industriji koja radi s tekućinama ili suspenzijama. Intenzivne ultrazvučne kavitacijske sile stvaraju intenzivno miješanje, smicanje, lomljenje čestica i prijenos tvari. Time se tekućine homogeniziraju, dispergiraju, emulgiraju, ekstrahiraju, otapaju i/ili se pokreću kemijske reakcije. Općenito, ultrazvučna obrada metoda je intenziviranja procesa koja povećava prinos, poboljšava stupnjeve konverzije i čini procese učinkovitijima.
Uobičajene industrijske primjene ultrazvuka obuhvaćaju brojne grane prehrambene i farmaceutske industrije, fine kemije, energetike i petrokemije, recikliranja, biorafinerija itd., a uključuju sljedeće:

• ultrazvučna sinteza biodizela
• ultrazvučna homogenizacija voćnih sokova
• ultrazvučna proizvodnja cjepiva
• ultrazvučno recikliranje Li-ion baterija
• ultrazvučna sinteza nanomaterijala
• ultrazvučno formuliranje farmaceutskih pripravaka
• ultrazvučno nanoemulgiranje CBD-a
• ultrazvučna ekstrakcija biljnih materijala
• ultrazvučna priprema uzoraka u laboratorijima
• ultrazvučno otplinjavanje tekućina
• ultrazvučno odsumporavanje sirove nafte
• i mnoge druge …

Ultrazvučni rogovi i sonde za primjene visokih performansi

Hielscher Ultrasonics proizvođač je i distributer ultrazvučnih uređaja velike snage s dugogodišnjim iskustvom, čiji se uređaji diljem svijeta upotrebljavaju za zahtjevne primjene u brojnim industrijama.
Uz ultrazvučne procesore svih veličina, od 50 vata do 16kW po uređaju, sonde različitih veličina i oblika te ultrazvučne reaktore različitih volumena i geometrija, Hielscher Ultrasonics raspolaže odgovarajućom opremom za sastavljanje idealnog ultrazvučnog sustava za vašu primjenu.
Tablica u nastavku daje pregled približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja: