Po čemu se razlikuju sonikacija sondom i sonikacija u kupelji? – Usporedba učinkovitosti

Sonikacija se široko primjenjuje u znanosti o hrani, biotehnologiji i inženjerstvu materijala radi poboljšanja ekstrakcije, dispergiranja ili razaranja stanica. Iako se i sonikatori sa sondom i ultrazvučne kupelji temelje na akustičnoj kavitaciji, njihove se radne značajke i mogućnosti upravljanja izrazito razlikuju. Odabir između njih snažno utječe na učinkovitost ekstrakcije, ponovljivost i mogućnost povećanja mjerila procesa.

Na temelju objavljenih radova – uključujući ekstrakciju iz biomase vrsta Alaria esculenta i Lemna minor te istraživanja dispergiranja nanočestica – ovaj članak uspoređuje te dvije tehnike i ističe zašto sonikacija sondom dosljedno nadmašuje sustave s kupelji pri zahtjevnim postupcima ekstrakcije.

Sonikatori sa sondom i ultrazvučne kupelji: načelo rada i prijenos energije

Sonikacija sondom: izravna kavitacija visokog intenziteta

Sonikatori sa sondom upotrebljavaju metalnu sonotrodu (često od titana) koja se uranja izravno u uzorak. Vrh prenosi ultrazvuk u medij, stvarajući izrazito lokaliziranu zonu kavitacije s ekstremnim gustoćama energije – prema objavljenim podacima do 20.000 W/L u industrijskim uređajima. Takvo izravno sprezanje omogućuje učinkovit prijenos mehaničke energije u uzorak, stvarajući snažne smične sile, mikromlazove i udarne valove.
Rezultati istraživanja Inguanez i sur. pokazuju da je sonikacija sondom pri visokim amplitudama (npr. 80%) znatno povećala ekstrakciju proteina iz vrsta Alaria esculenta i Lemna minor u odnosu na obradu u kupelji i neobrađene kontrolne uzorke. Primjerice, amplituda od 80% dovela je do do 3,87 puta veće koncentracije proteina nego u kontrolnim uzorcima pri obradama u trajanju od 2 minute.

Sličan obrazac uočava se pri dispergiranju nanočestica: sonikacija sonotrodom (sondom) ostvarila je gustoće snage 70–150 puta veće nego ultrazvučne kupelji, omogućujući deaglomeraciju nanočestica BaTiO₃ i TiCN koju kupelji nisu mogle postići. (Windey i sur., 2023)

Sonikacija u kupelji: neizravna raspodjela energije niskog intenziteta

Ultrazvučne kupelji prenose energiju kroz vodeni medij u posude s uzorcima. Pritom nastaju znatni akustični gubici, a energija se difuzno raspodjeljuje po cijelom spremniku.
Sustavi s kupelji obično ostvaruju 20–40 W/L, što je za redove veličine manje nego kod sondi – zbog čega nastaje blaga kavitacija koja nije dovoljna za temeljito razaranje matrice.
U istraživanju biomase sonikacija u kupelji dosljedno je postizala slabije rezultate u odnosu na sustave sa sondom, zahtijevajući dulje izlaganje i pritom dajući manje prinose ekstrakcije.

Windey i sur. slično su pokazali da sonikacija u kupelji nije mogla učinkovito deaglomerirati nanočestice TiCN, pa su nakupine mikrometarskih dimenzija ostale prisutne čak i nakon 2 sata.

Sonda naspram kupelji: učinkovitost i upravljanje procesom

Učinkovitije razaranje tkiva i ekstrakcija sonikacijom sondom

Kavitacija visokog intenziteta omogućuje sonikatorima sa sondom brzo razaranje biljnog tkiva, razbijanje staničnih stijenki i poboljšanje prodiranja otapala.
Inguanez i sur. izravno su usporedili sonikatore sa sondom i ultrazvučne kupelji te utvrdili sljedeće:
Za vrstu Lemna minor sonikacija sondom pri amplitudi od 80% dala je 1,5–1,8× više proteina nego sonikacija u kupelji.
Učinak se pojačao pri kraćim, ali intenzivnijim obradama, što naglašava prednost veće gustoće snage.

To je u skladu s načelima uočenima pri dispergiranju nanočestica: sustavi sa sondom stvaraju dovoljnu mehaničku silu za svladavanje snažnih privlačnih sila između čestica, postižući značajnu deaglomeraciju ondje gdje kupelji ne uspijevaju.

Precizno upravljanje sustavima sa sondom
Sonikatori sa sondom omogućuju precizno podešavanje:

• amplitude (upravlja intenzitetom kavitacije),
• pulsnog načina rada (upravljanje toplinom),
• dubine uranjanja,
• vremena i unosa energije.

Ti parametri izravno utječu na mehaničko smicanje i rezultate ekstrakcije.
Sustavi s kupelji nemaju takve mogućnosti upravljanja. Promjena položaja uzorka – čak i za nekoliko milimetara – može drastično promijeniti izloženost kavitaciji, uzrokujući slabu ponovljivost.

Volumen uzorka, kapacitet obrade i povećanje mjerila procesa

Sonikacija sondom
Idealna za svaki volumen: ultrazvučne sonde osobito su učinkovite kada se visoka gustoća energije mora primijeniti na određenu reakcijsku zonu. Povećanje procesa na industrijsko mjerilo postiže se učinkovito i pouzdano većim sonotrodama i primjenom protočnih ćelija za kontinuirani rad.

Sonikacijom sondom bilo je moguće potpuno dispergirati nanočestice pri gustoćama energije od približno 120 J/g (duroplasti) i 950 J/mL (termoplasti) – razinama koje nije moguće postići kupeljima. (Windey i sur., 2023)

Sonikacija u kupelji
Kupelji su praktične za primjene koje zahtijevaju malo energije (npr. čišćenje bočica ili otplinjavanje otapala), ali zbog brzog rasipanja energije s povećanjem volumena:

• teško obrađuju viskozne ili guste uzorke,
• stvaraju neujednačenu kavitaciju,
• ne omogućuju učinkovito povećanje mjerila izvan malih volumena.

Stoga se kupelji rijetko odabiru za industrijske postupke homogenizacije i ekstrakcije.

Ponovljivost i utjecaj na analitičke postupke

Sonikatori sa sondom omogućuju znatno ponovljiviji prijenos energije, čime osiguravaju pouzdanu kvantitativnu ekstrakciju – ključnu u metabolomici, analizama fenolnih spojeva i određivanju proteina.
U istraživanju biomase uzorci sonikirani sonikatorom sa sondom dosljedno su pokazivali:

• manju varijancu (RSD),
• predvidljivije prinose ekstrakcije,
• jasnije korelacije između vremena/amplitude i rezultata ekstrakcije.

Primjena kupelji rezultirala je većom varijabilnošću, što dodatno potvrđuje njihovu neprikladnost za analitičke postupke koji zahtijevaju preciznost.

Sonikator sa sondom UIP1000hdT snage 1000 Watts sa sondom velike snage za šaržnu sonikaciju ili sonikaciju u protoku