Ultrazvuk: Primjena i procesi

Ultrasonication je metoda mehaničke obrade koja stvara akustičnu kavitaciju i visoko intenzivne fizičke sile. Stoga se ultrazvuk koristi za brojne primjene kao što su miješanje, homogenizacija, mljevenje, disperzija, emulgiranje, ekstrakcija, otplinjavanje i sonokemijske reakcije.
U nastavku ćete naučiti sve o tipičnim ultrazvučnim primjenama i procesima.

ultrazvučno homogeniziranje

Ultrazvučni homogenizatori smanjuju male čestice u tekućini kako bi poboljšali jednoličnost i stabilnost disperzije. Čestice (disperzna faza) mogu biti krutine ili kapljice tekućine suspendirane u tekućoj fazi. Ultrazvučna homogenizacija vrlo je učinkovita za smanjenje mekih i tvrdih čestica. Hielscher proizvodi ultrazvučne uređaje za homogenizaciju bilo kojeg volumena tekućine i za šaržnu ili inline obradu. Laboratorijski ultrazvučni uređaji mogu se koristiti za volumene od 1,5 ml do cca. 4L. Ultrazvučni industrijski uređaji mogu obraditi serije od 0,5 do cca. 2000L ili brzine protoka od 0,1L do 20 kubnih metara na sat u razvoju procesa iu komercijalnoj proizvodnji.
Kliknite ovdje da biste pročitali više o ultrazvučnom homogeniziranju!

Ultrazvučno raspršivanje i deaglomeracija

Disperzija i deaglomeracija krutih tvari u tekućine važna je primjena ultrazvučnih uređaja tipa sonde. Ultrazvučna/akustična kavitacija stvara velike sile smicanja koje razbijaju aglomerate čestica u pojedinačne, pojedinačne raspršene čestice. Miješanje praha u tekućinu uobičajeni je korak u formuliranju različitih proizvoda, poput boja, lakova, kozmetičkih proizvoda, hrane i pića ili medija za poliranje. Pojedinačne čestice drže zajedno sile privlačenja različite fizičke i kemijske prirode, uključujući van-der-Waalsove sile i površinsku napetost tekućine. Ultrasonication nadilazi ove privlačne sile kako bi se deaglomerirali i raspršili čestice u tekućem mediju. Za raspršivanje i deaglomeraciju praha u tekućinama, ultrazvučna obrada visokog intenziteta zanimljiva je alternativa visokotlačnim homogenizatorima, mješalicama s velikim smicanjem, mlinovima s kuglicama ili rotor-stator-mješalicama.
Kliknite ovdje da biste pročitali više o ultrazvučnom raspršivanju i deaglomeraciji!

Ultrazvučna emulgacija

Širok raspon poluproizvoda i proizvoda široke potrošnje, kao što su kozmetički proizvodi i losioni za kožu, farmaceutske masti, lakovi, boje i maziva te goriva temelje se u cijelosti ili djelomično na emulzijama. Emulzije su disperzije dviju ili više tekućih faza koje se ne miješaju. Visoko intenzivan ultrazvuk daje dovoljno intenzivno smicanje da rasprši tekuću fazu (dispergirana faza) u malim kapljicama u drugoj fazi (kontinuirana faza). U zoni raspršivanja, implodirajući kavitacijski mjehurići uzrokuju intenzivne udarne valove u okolnoj tekućini i rezultiraju stvaranjem mlaznica tekućine velike brzine tekućine (veliko smicanje). Ultrasonication se može precizno prilagoditi ciljanoj veličini emulzije, čime se omogućuje pouzdana proizvodnja mikro-emulzija i nano-emulzija.
Kliknite ovdje da biste pročitali više o ultrazvučnoj emulgaciji!

Ultrazvučno mokro mljevenje i mljevenje

Ultrasonication je učinkovito sredstvo za mokro mljevenje i mikro-mljevenje čestica. Ultrazvuk ima mnoge prednosti posebno za proizvodnju mulja superfine veličine. Nadmoćniji je od tradicionalne opreme za smanjenje veličine, kao što su: koloidni mlinovi (npr. mlinovi s kuglicama, mlinovi s kuglicama), mlinovi s diskovima ili mlinovi s mlazom. Ultrasonication može obraditi visoke koncentracije i visoke viskoznosti kaše - stoga smanjenje volumena za obradu. Naravno, ultrazvučno mljevenje prikladno je za obradu materijala mikronske i nano veličine, kao što su keramika, pigmenti, barijev sulfat, kalcijev karbonat ili metalni oksidi. Osobito kada je riječ o nano-materijalima, ultrazvučna obrada ističe se u izvedbi budući da njezine vrlo utjecajne sile smicanja stvaraju jednako male nanočestice.
Kliknite ovdje da biste pročitali više o ultrazvučnom mokrom mljevenju i mikromljevenju!

TiO2 osušen raspršivanjem prije i poslije ultrazvučnog mljevenja

Ultrazvučna dezintegracija i liza stanica

Tretman ultrazvukom može razgraditi vlaknasti, celulozni materijal u fine čestice i razbiti stijenke stanične strukture. Time se u tekućinu oslobađa više unutarstaničnog materijala, poput škroba ili šećera. Ovaj se učinak može koristiti za fermentaciju, probavu i druge procese pretvorbe organske tvari. Nakon mljevenja i mljevenja, ultrazvučna obrada čini više unutarstaničnog materijala, npr. škroba, kao i ostataka stanične stijenke dostupnim enzimima koji pretvaraju škrob u šećere. Također povećava površinu izloženu enzimima tijekom ukapljivanja ili saharifikacije. To obično povećava brzinu i prinos fermentacije kvasca i drugih procesa pretvorbe, npr. za povećanje proizvodnje etanola iz biomase.
Kliknite ovdje da biste pročitali više o ultrazvučnoj dezintegraciji staničnih struktura!

ultrazvučna ekstrakcija biljaka

Ekstrakcija bioaktivnih spojeva pohranjenih u stanicama i podstaničnim česticama široko je korištena primjena ultrazvuka visokog intenziteta. Ultrazvučna ekstrakcija koristi se za izolaciju sekundarnih metabolita (npr. polifenola), polisaharida, proteina, eteričnih ulja i drugih aktivnih sastojaka iz stanične matrice biljaka i gljiva. Prikladno za ekstrakciju organskih spojeva vodom i otapalom, sonikacija značajno poboljšava prinos botaničkih sastojaka sadržanih u biljkama ili sjemenkama. Ultrazvučna ekstrakcija koristi se za proizvodnju lijekova, nutraceutika / dodataka prehrani, mirisa i bioloških aditiva. Ultrazvuk je tehnika zelene ekstrakcije koja se također koristi za ekstrakciju bioaktivnih komponenti u biorafinerijama, npr. oslobađanje vrijednih spojeva iz neiskorištenih tokova nusproizvoda nastalih u industrijskim procesima. Ultrasonication je vrlo učinkovita tehnologija za botaničku ekstrakciju u laboratoriju i proizvodnji.
Kliknite ovdje za više informacija o ultrazvučnoj ekstrakciji!

Sonokemijska primjena ultrazvuka

Sonokemija je primjena ultrazvuka na kemijske reakcije i procese. Mehanizam koji uzrokuje sonokemijske učinke u tekućinama je fenomen akustične kavitacije. Sonokemijski učinci na kemijske reakcije i procese uključuju povećanje brzine reakcije ili izlaza, učinkovitiju upotrebu energije, poboljšanje performansi katalizatora faznog prijenosa, aktivaciju metala i krutina ili povećanje reaktivnosti reagensa ili katalizatora.
Kliknite ovdje da biste pročitali više o sonokemijskim učincima ultrazvuka!

Ultrazvučna transesterifikacija ulja u biodizel

Ultrazvuk povećava brzinu kemijske reakcije i prinos transesterifikacije biljnih ulja i životinjskih masti u biodizel. To omogućuje promjenu proizvodnje sa šaržne obrade na kontinuiranu protočnu obradu i smanjuje investicijske i operativne troškove. Jedna od glavnih prednosti ultrazvučne proizvodnje biodizela je korištenje otpadnih ulja kao što su istrošeno ulje za kuhanje i drugi izvori ulja loše kvalitete. Ultrazvučna transesterifikacija može pretvoriti čak i sirovinu niske kvalitete u biodizel visoke kvalitete (metil ester masne kiseline / FAME). Proizvodnja biodizela iz biljnih ulja ili životinjskih masti uključuje bazno kataliziranu transesterifikaciju masnih kiselina s metanolom ili etanolom kako bi se dobili odgovarajući metil esteri ili etil esteri. Ultrasonication može postići prinos biodizela veći od 99%. Ultrazvuk značajno smanjuje vrijeme obrade i vrijeme odvajanja.
Kliknite ovdje da biste pročitali više o ultrazvučno potpomognutoj transesterifikaciji ulja u biodizel!

Ultrazvučno otplinjavanje i odzračivanje tekućina

Otplinjavanje tekućina još je jedna važna primjena ultrazvučnih uređaja tipa sonde. Ultrazvučne vibracije i kavitacija uzrokuju spajanje otopljenih plinova u tekućini. Kako se sitni mjehurići plina spajaju, stvaraju veće mjehuriće koji brzo isplivaju na gornju površinu tekućine odakle se mogu ukloniti. Stoga ultrazvučno otplinjavanje i deaeracija mogu smanjiti razinu otopljenog plina ispod razine prirodne ravnoteže.
Kliknite ovdje da biste pročitali više o ultrazvučnom otplinjavanju tekućina!

Ultrazvučno čišćenje žica, kabela i traka

Ultrazvučno čišćenje je ekološki prihvatljiva alternativa za čišćenje neprekinutih materijala, kao što su žice i kabeli, trake ili cijevi. Učinak snažne ultrazvučne kavitacije uklanja ostatke maziva poput ulja ili masti, sapuna, stearata ili prašine s površine materijala. Hielscher Ultrasonics nudi različite ultrazvučne sustave za inline čišćenje kontinuiranih profila.
Kliknite ovdje za više informacija o ultrazvučnom čišćenju kontinuiranih profila!

Što ultrazvuk čini vrhunskom metodom obrade?

Sonikacija, ili korištenje visokofrekventnih zvučnih valova za miješanje tekućina, učinkovita je metoda obrade iz niza razloga. Evo nekoliko razloga zašto ultrazvuk pri visokom intenzitetu i niskoj frekvenciji od cca. 20kHz je posebno učinkovit i koristan za obradu tekućina i kaša:

1. Kavitacija: Jedan od glavnih mehanizama sonikacije je stvaranje i kolaps sićušnih mjehurića, fenomen koji se naziva kavitacija. Na 20 kHz, zvučni valovi su na pravoj frekvenciji za učinkovito stvaranje i skupljanje mjehurića. Kolaps tih mjehurića proizvodi udarne valove visoke energije, koji mogu razgraditi čestice i poremetiti stanice u tekućini koja se sonicira.
2. Oscilacije i vibracije: Osim generirane akustične kavitacije, oscilacija ultrazvučne sonde stvara dodatnu agitaciju i miješanje u tekućini, čime se potiče prijenos mase i/ili otplinjavanje.
3. Prodiranje: Zvučni valovi na 20 kHz imaju relativno dugu valnu duljinu, što im omogućuje da prodru duboko u tekućine. Ultrazvučna kavitacija je lokalizirani fenomen koji se pojavljuje u okolini ultrazvučne sonde. S povećanjem udaljenosti od sonde intenzitet kavitacije opada. Međutim, sonikacija na 20 kHz može učinkovito tretirati veće količine tekućine, u usporedbi s sonikacijom viših frekvencija koja ima kraće valne duljine i može biti ograničenija u dubini prodiranja.
4. Niska potrošnja energije: Sonikacija se može postići uz relativno nisku potrošnju energije u usporedbi s drugim metodama obrade kao što su visokotlačna homogenizacija ili mehaničko miješanje. To ga čini energetski učinkovitijom i isplativijom metodom za obradu tekućina.
5. Linearna skalabilnost: Ultrazvučni procesi mogu se potpuno linearno skalirati na veće ili manje volumene. To čini prilagodbe procesa u proizvodnji pouzdanima jer se kvaliteta proizvoda može održavati kontinuirano stabilnom.
6. Skupni i inline tijek: Ultrasonication se može izvesti kao serije ili kao kontinuirani inline procesi. Za sonikaciju serija, ultrazvučna sonda se umeće u otvorenu posudu ili zatvoreni šaržni reaktor. Za ultrazvučnu obradu kontinuiranog protoka, ugrađena je ultrazvučna protočna ćelija. Tekući medij prolazi sonotrodu (ultrazvučno vibrirajuća šipka) u jednom prolazu ili recirkulaciji i vrlo je ujednačen i učinkovit izložen ultrazvučnim valovima.

Sve u svemu, intenzivne sile kavitacije, niska potrošnja energije i skalabilnost procesa čine sonikaciju niske frekvencije i velike snage učinkovitom metodom za obradu tekućina.

Princip rada i uporaba ultrazvučne obrade

Ultrasonication je komercijalna tehnologija obrade, koju su usvojile brojne industrije za proizvodnju velikih razmjera. Visoka pouzdanost i mogućnost skaliranja, kao i niski troškovi održavanja i visoka energetska učinkovitost čine ultrazvučne procesore dobrom alternativom za tradicionalnu opremu za obradu tekućina. Ultrazvuk nudi dodatne uzbudljive mogućnosti: Kavitacija – osnovni ultrazvučni učinak – proizvodi jedinstvene rezultate u biološkim, kemijskim i fizičkim procesima. Na primjer, ultrazvučna disperzija i emulgiranje lako proizvode stabilne formulacije nano veličine. Također u području botaničke ekstrakcije, ultrazvuk je netermalna tehnika za izolaciju bioaktivnih spojeva.

Dok se ultrazvuk niskog intenziteta ili visoke frekvencije uglavnom koristi za analizu, ispitivanje bez razaranja i snimanje, ultrazvuk visokog intenziteta koristi se za obradu tekućina i pasta, gdje se intenzivni ultrazvučni valovi koriste za miješanje, emulgiranje, disperziju i deaglomeraciju , dezintegracija stanica ili deaktivacija enzima. Prilikom soniciranja tekućina pri visokim intenzitetima, zvučni valovi se šire kroz tekući medij. To rezultira izmjeničnim ciklusima visokog tlaka (kompresija) i niskog tlaka (razrjeđivanje), s brzinama koje ovise o frekvenciji. Tijekom ciklusa niskog tlaka, ultrazvučni valovi visokog intenziteta stvaraju male vakuumske mjehuriće ili šupljine u tekućini. Kada mjehurići dostignu volumen pri kojem više ne mogu apsorbirati energiju, nasilno se kolabiraju tijekom ciklusa visokog tlaka. Ova pojava se naziva kavitacija. Tijekom implozije lokalno se postižu vrlo visoke temperature (cca. 5000 K) i pritisci (cca. 2000 atm). Implozija kavitacijskog mjehurića također rezultira mlazovima tekućine brzine do 280 metara u sekundi.

Ultrazvučna kavitacija u tekućinama može uzrokovati brzo i potpuno otplinjavanje; pokreću različite kemijske reakcije stvaranjem slobodnih kemijskih iona (radikala); ubrzati kemijske reakcije olakšavanjem miješanja reaktanata; pojačati reakcije polimerizacije i depolimerizacije dispergiranjem agregata ili trajnim kidanjem kemijskih veza u polimernim lancima; povećati stope emulgiranja; poboljšati stope difuzije; proizvoditi visoko koncentrirane emulzije ili jednolike disperzije materijala mikronske ili nano veličine; pomažu ekstrakciju tvari kao što su enzimi iz životinjskih, biljnih, kvasnih ili bakterijskih stanica; ukloniti viruse iz zaraženog tkiva; i konačno, erodiraju i razgrađuju osjetljive čestice, uključujući mikroorganizme. (usp. Kuldiloke 2002.)

Ultrazvuk visokog intenziteta proizvodi snažno miješanje u tekućinama niske viskoznosti, koje se može koristiti za raspršivanje materijala u tekućinama. (usp. Ensminger, 1988.) Na sučeljima tekućina/krutina ili plin/krutina, asimetrična implozija kavitacijskih mjehurića može uzrokovati ekstremne turbulencije koje smanjuju difuzijski granični sloj, povećavaju konvekcijski prijenos mase i znatno ubrzavaju difuziju u sustavima gdje je uobičajeno miješanje nije moguće. (usp. Nyborg, 1965.)

Književnost