Ultrazvučna obrada tekućina, gustih suspenzija i kemijskih reakcija

Ultrazvučna obrada mehanička je metoda obrade koja stvara akustičnu kavitaciju i vrlo intenzivne fizičke sile. Stoga se ultrazvuk primjenjuje u brojnim postupcima kao što su miješanje, homogenizacija, mljevenje, dispergiranje, emulgiranje, ekstrakcija, otplinjavanje i sonokemijske reakcije.

Pronađite svoju primjenu u tablici u nastavku, kliknite poveznicu i prijeđite izravno na postupak koji vas zanima! Saznajte kako sonikacija poboljšava postupak i njegovu učinkovitost.

Ultrazvučna homogenizacija

Ultrazvučni homogenizatori usitnjavaju sitne čestice u tekućini kako bi poboljšali ujednačenost i stabilnost disperzije. Čestice (dispergirana faza) mogu biti krute tvari ili kapljice tekućine suspendirane u tekućoj fazi. Ultrazvučna homogenizacija vrlo je učinkovita za usitnjavanje mekih i tvrdih čestica. Hielscher proizvodi ultrazvučne uređaje za homogenizaciju bilo kojeg volumena tekućine te za šaržnu obradu ili obradu u liniji. Laboratorijski ultrazvučni uređaji mogu se upotrebljavati za volumene od 1,5mL do približno 4L. Industrijski ultrazvučni uređaji mogu obrađivati šarže od 0,5 do približno 2000L ili raditi pri protocima od 0,1L do 20 kubičnih metara na sat u razvoju procesa i komercijalnoj proizvodnji.
Otkrijte snagu ultrazvučne homogenizacije!

Ultrazvučno dispergiranje i deaglomeracija

Dispergiranje i deaglomeracija krutih tvari u tekućinama važna su primjena ultrazvučnih uređaja sa sondom. Ultrazvučna / akustična kavitacija stvara velike smične sile koje razbijaju aglomerate čestica na pojedinačne, zasebno dispergirane čestice. Umješavanje prašaka u tekućine uobičajen je korak u formuliranju različitih proizvoda, kao što su boje, lakovi, kozmetički proizvodi, hrana i pića ili sredstva za poliranje. Pojedinačne čestice na okupu drže privlačne sile različite fizikalne i kemijske prirode, uključujući van der Waalsove sile i površinsku napetost tekućine. Ultrazvučna obrada nadvladava te privlačne sile kako bi se čestice deaglomerirale i dispergirale u tekućim medijima. Za dispergiranje i deaglomeraciju prašaka u tekućinama ultrazvučna obrada visokog intenziteta zanimljiva je alternativa visokotlačnim homogenizatorima, miješalicama s velikim smičnim silama, mlinovima s kuglicama ili miješalicama s rotorom i statorom.
Saznajte detaljne informacije o ultrazvučnom dispergiranju i deaglomeraciji!

Ultrazvučno emulgiranje

Širok raspon međuproizvoda i proizvoda široke potrošnje, kao što su kozmetika i losioni za kožu, farmaceutske masti, lakovi, boje te maziva i goriva, temelji se u cijelosti ili djelomično na emulzijama. Emulzije su disperzije dviju ili više tekućih faza koje se međusobno ne miješaju. Ultrazvuk visokog intenziteta stvara dovoljno snažno smicanje da se tekuća faza (dispergirana faza) rasprši u sitne kapljice u drugoj fazi (kontinuirana faza). U zoni dispergiranja implodirajući kavitacijski mjehurići uzrokuju intenzivne udarne valove u okolnoj tekućini i dovode do stvaranja mlazova tekućine velike brzine (snažno smicanje). Sonikacija se može precizno prilagoditi ciljanoj veličini kapljica emulzije, čime se omogućuje pouzdana proizvodnja mikroemulzija i nanoemulzija.
Kliknite ovdje kako biste pročitali više o ultrazvučnom emulgiranju!

Ultrazvučno mokro mljevenje i usitnjavanje

Sonikacija je učinkovita metoda mokrog mljevenja i mikrousitnjavanja čestica. Ultrazvuk ima brojne prednosti, osobito pri proizvodnji suspenzija s iznimno sitnim česticama. Nadmoćan je u odnosu na tradicionalnu opremu za smanjenje veličine čestica, kao što su koloidni mlinovi (npr. kuglični mlinovi i mlinovi s perlama), diskovni mlinovi ili mlazni mlinovi. Sonikacijom se mogu obrađivati suspenzije visoke koncentracije i visoke viskoznosti – čime se smanjuje volumen koji treba obraditi. Naravno, ultrazvučno mljevenje prikladno je za obradu materijala mikrometarskih i nanometarskih veličina, kao što su keramika, pigmenti, barijev sulfat, kalcijev karbonat ili metalni oksidi. Osobito kada je riječ o nanomaterijalima, sonikacija se ističe učinkovitošću jer njezine izrazito snažne smične sile stvaraju jednoliko male nanočestice.
Pročitajte više o ultrazvučnom mokrom mljevenju i mikrousitnjavanju!

TiO2 osušen raspršivanjem prije i nakon ultrazvučnog mljevenja

Ultrazvučno razaranje i liza stanica

Ultrazvučna obrada može razgraditi vlaknasti, celulozni materijal u sitne čestice i razoriti stijenke stanične strukture. Time se u tekućinu oslobađa više unutarstaničnog materijala, poput škroba ili šećera. Taj se učinak može iskoristiti za fermentaciju, razgradnju i druge procese pretvorbe organske tvari. Nakon mljevenja i usitnjavanja, sonikacija čini veću količinu unutarstaničnog materijala, npr. škroba, kao i ostatke staničnih stijenki, dostupnima enzimima koji pretvaraju škrob u šećere. Također povećava površinu izloženu enzimima tijekom likvefakcije ili saharifikacije. Time se obično povećavaju brzina i prinos fermentacije s pomoću kvasca i drugih procesa pretvorbe, npr. radi povećanja proizvodnje etanola iz biomase.
Pročitajte više o ultrazvučnom razaranju staničnih struktura!

Ultrazvučna ekstrakcija biljnih spojeva

Ekstrakcija bioaktivnih spojeva pohranjenih u stanicama i substaničnim česticama široko je rasprostranjena primjena ultrazvuka visokog intenziteta. Ultrazvučna ekstrakcija upotrebljava se za izolaciju sekundarnih metabolita (npr. polifenola), polisaharida, proteina, eteričnih ulja i drugih aktivnih sastojaka iz staničnog matriksa biljaka i gljiva. Sonikacija je prikladna za ekstrakciju organskih spojeva vodom i otapalima te znatno povećava prinos biljnih spojeva sadržanih u biljkama ili sjemenkama. Ultrazvučna ekstrakcija upotrebljava se za proizvodnju farmaceutskih proizvoda, nutraceutika / dodataka prehrani, mirisa i bioloških aditiva. Ultrazvuk je ekološka tehnika ekstrakcije koja se također upotrebljava za ekstrakciju bioaktivnih sastojaka u biorafinerijama, npr. za oslobađanje vrijednih spojeva iz neiskorištenih tokova nusproizvoda nastalih u industrijskim procesima. Sonikacija je vrlo učinkovita tehnologija za ekstrakciju biljnih spojeva u laboratorijskom i proizvodnom mjerilu.
Istražite prednosti ultrazvučne ekstrakcije!

Sonokemijska primjena ultrazvuka

Sonokemija je primjena ultrazvuka u kemijskim reakcijama i procesima. Mehanizam koji uzrokuje sonokemijske učinke u tekućinama jest pojava akustične kavitacije. Sonokemijski učinci na kemijske reakcije i procese uključuju povećanje brzine ili prinosa reakcije, učinkovitiju uporabu energije, poboljšanje djelovanja katalizatora faznog prijenosa, aktivaciju metala i krutih tvari ili povećanje reaktivnosti reagensa ili katalizatora.
Istražite sonokemijske učinke ultrazvuka!

Ultrazvučna transesterifikacija (otpadnog) ulja u biodizel

Sonikacija povećava brzinu kemijske reakcije i prinos transesterifikacije biljnih ulja i životinjskih masti u biodizel. To omogućuje prelazak sa šaržne proizvodnje na obradu u kontinuiranom protoku te smanjuje investicijske i operativne troškove. Jedna od glavnih prednosti ultrazvučne proizvodnje biodizela jest uporaba otpadnih ulja, poput iskorištenih jestivih ulja i drugih izvora ulja loše kvalitete. Ultrazvučna transesterifikacija može pretvoriti čak i sirovine niske kvalitete u visokokvalitetni biodizel (metilni ester masnih kiselina / FAME). Proizvodnja biodizela iz biljnih ulja ili životinjskih masti uključuje bazno kataliziranu transesterifikaciju masnih kiselina s metanolom ili etanolom, pri čemu nastaju odgovarajući metilni ili etilni esteri. Sonikacijom se može postići prinos biodizela veći od 99%. Ultrazvuk znatno skraćuje vrijeme obrade i vrijeme odvajanja.
Kliknite ovdje kako biste pročitali više o ultrazvučno potpomognutoj transesterifikaciji ulja u biodizel!

Ultrazvučno otplinjavanje, odzračivanje i otpjenjivanje tekućina

Otplinjavanje tekućina još je jedna važna primjena ultrazvučnih uređaja sa sondom. Ultrazvučne vibracije i kavitacija uzrokuju koalescenciju otopljenih plinova u tekućini. Spajanjem sićušnih mjehurića plina nastaju veći mjehurići koji brzo isplivaju na gornju površinu tekućine, odakle se mogu ukloniti. Stoga ultrazvučno otplinjavanje i odzračivanje mogu smanjiti razinu otopljenog plina ispod prirodne ravnotežne razine.
Kliknite ovdje kako biste pročitali više o ultrazvučnom otplinjavanju tekućina!

Ultrazvučno čišćenje žice, kabela i traka

Ultrazvučno čišćenje ekološki je prihvatljiva alternativa za čišćenje kontinuiranih materijala, poput žice i kabela, traka ili cijevi. Djelovanje snažne ultrazvučne kavitacije uklanja ostatke maziva poput ulja ili mazivih masti, sapune, stearate ili prašinu s površine materijala. Hielscher Ultrasonics nudi različite ultrazvučne sustave za čišćenje kontinuiranih profila u proizvodnoj liniji.
Kliknite ovdje za više informacija o ultrazvučnom čišćenju kontinuiranih profila!

Što sonikaciju čini nadmoćnom metodom obrade?

Sonikacija, odnosno uporaba visokofrekventnih zvučnih valova za pokretanje tekućina, učinkovita je metoda obrade iz više razloga. Evo nekoliko razloga zbog kojih je sonikacija visokog intenziteta i niske frekvencije od približno 20kHz posebno djelotvorna i povoljna za obradu tekućina i suspenzija:

1. Kavitacija: Jedan od glavnih mehanizama sonikacije jest stvaranje i kolaps sićušnih mjehurića, pojava koja se naziva kavitacija. Pri 20kHz zvučni valovi imaju upravo odgovarajuću frekvenciju za učinkovito stvaranje i kolaps mjehurića. Kolaps tih mjehurića stvara udarne valove visoke energije koji mogu usitniti čestice i razoriti stanice u tekućini koja se sonicira.
2. Oscilacije i vibracije: Osim stvorene akustične kavitacije, osciliranje ultrazvučne sonde uzrokuje dodatno gibanje i miješanje u tekućini, čime potiče prijenos tvari i/ili otplinjavanje.
3. Prodiranje: Zvučni valovi pri 20kHz imaju relativno veliku valnu duljinu, što im omogućuje duboko prodiranje u tekućine. Ultrazvučna kavitacija lokalizirana je pojava koja se javlja u okolini ultrazvučne sonde. S povećanjem udaljenosti od sonde intenzitet kavitacije opada. Međutim, sonikacijom pri 20kHz mogu se učinkovito obraditi veći volumeni tekućine u usporedbi sa sonikacijom pri višim frekvencijama, koja ima kraće valne duljine i može imati ograničeniju dubinu prodiranja.
4. Niska potrošnja energije: Sonikacija se može provoditi uz relativno nisku potrošnju energije u usporedbi s drugim metodama obrade, poput visokotlačne homogenizacije ili mehaničkog miješanja. To je čini energetski učinkovitijom i troškovno isplativijom metodom obrade tekućina.
5. Linearna skalabilnost: Ultrazvučni procesi mogu se potpuno linearno skalirati na veće ili manje volumene. Time prilagodbe procesa u proizvodnji postaju pouzdane jer se kvaliteta proizvoda može kontinuirano održavati stabilnom.
6. Šaržna i linijska protočna obrada: Sonikacija se može provoditi u šaržnim ili kontinuiranim linijskim procesima. Za sonikaciju šarži ultrazvučna sonda uranja se u otvorenu posudu ili zatvoreni šaržni reaktor. Za sonikaciju kontinuiranog toka ugrađuje se ultrazvučna protočna ćelija. Tekući medij prolazi uz sonotrodu (štap koji ultrazvučno vibrira) u jednom prolazu ili recirkulacijom te se vrlo ravnomjerno i učinkovito izlaže ultrazvučnim valovima.

Sveukupno, intenzivne sile kavitacije, niska potrošnja energije i skalabilnost procesa čine sonikaciju niske frekvencije i velike snage učinkovitom metodom obrade tekućina.

Načelo rada i primjena ultrazvučne obrade

Sonikacija je komercijalna tehnologija obrade koju su brojne industrije usvojile za proizvodnju velikih razmjera. Visoka pouzdanost i skalabilnost, kao i niski troškovi održavanja i visoka energetska učinkovitost, čine ultrazvučne procesore dobrom alternativom tradicionalnoj opremi za obradu tekućina. Ultrazvuk pruža dodatne uzbudljive mogućnosti: kavitacija – osnovni ultrazvučni učinak – daje jedinstvene rezultate u biološkim, kemijskim i fizikalnim procesima. Primjerice, ultrazvučnim dispergiranjem i emulgiranjem lako se dobivaju stabilne formulacije nanometarskih veličina. I u području ekstrakcije biljnih tvari ultrazvuk je netoplinska tehnika za izolaciju bioaktivnih spojeva.

Ultrazvučno miješanje temelji se na akustičnoj kavitaciji i njezinim hidrodinamičkim smičnim silama.

Dok se ultrazvuk niskog intenziteta ili visoke frekvencije uglavnom upotrebljava za analizu, nerazorna ispitivanja i oslikavanje, ultrazvuk visokog intenziteta upotrebljava se za obradu tekućina i pasti, pri čemu se intenzivni ultrazvučni valovi koriste za miješanje, emulgiranje, dispergiranje i deaglomeraciju, razaranje stanica ili deaktivaciju enzima. Pri sonikaciji tekućina visokim intenzitetom zvučni valovi šire se kroz tekuće medije. To rezultira izmjeničnim ciklusima visokog tlaka (kompresije) i niskog tlaka (razrjeđenja), čija učestalost ovisi o frekvenciji. Tijekom ciklusa niskog tlaka ultrazvučni valovi visokog intenziteta stvaraju male vakuumske mjehuriće ili šupljine u tekućini. Kada mjehurići dosegnu volumen pri kojem više ne mogu apsorbirati energiju, nasilno se urušavaju tijekom ciklusa visokog tlaka. Ta se pojava naziva kavitacijom. Tijekom implozije lokalno se postižu vrlo visoke temperature (približno 5.000K) i tlakovi (približno 2.000atm). Implozija kavitacijskog mjehurića također stvara mlazove tekućine brzine do 280 metara u sekundi.

Ultrazvučna kavitacija u tekućinama može uzrokovati brzo i potpuno otplinjavanje; pokrenuti različite kemijske reakcije stvaranjem slobodnih kemijskih iona (radikala); ubrzati kemijske reakcije olakšavanjem miješanja reaktanata; pospješiti reakcije polimerizacije i depolimerizacije dispergiranjem agregata ili trajnim kidanjem kemijskih veza u polimernim lancima; povećati brzinu emulgiranja; povećati brzinu difuzije; proizvesti visokokoncentrirane emulzije ili ujednačene disperzije materijala mikrometarske ili nanometarske veličine; pomoći pri ekstrakciji tvari poput enzima iz životinjskih, biljnih, kvaščevih ili bakterijskih stanica; ukloniti viruse iz zaraženog tkiva; i naposljetku, erodirati i razgraditi čestice podložne takvom djelovanju, uključujući mikroorganizme. (usp. Kuldiloke 2002)

Ultrazvuk visokog intenziteta stvara snažno komešanje u tekućinama niske viskoznosti, što se može iskoristiti za dispergiranje materijala u tekućinama. (usp. Ensminger, 1988) Na međupovršinama tekućine i krutine ili plina i krutine asimetrična implozija kavitacijskih mjehurića može uzrokovati izrazite turbulencije koje smanjuju difuzijski granični sloj, povećavaju konvekcijski prijenos mase i znatno ubrzavaju difuziju u sustavima u kojima uobičajeno miješanje nije moguće. (usp. Nyborg, 1965)

Literatura

• Seyed Mohammad Mohsen Modarres-Gheisari, Roghayeh Gavagsaz-Ghoachani, Massoud Malaki, Pedram Safarpour, Majid Zandi (2019): Ultrasonic nano-emulsification – A review. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 52, 2019. 88-105.
• Suslick, Kenneth S.; Hyeon, Taeghwan; Fang, Mingming; Cichowlas, Andrzej A. (1995): Sonochemical synthesis of nanostructured catalysts. Materials Science and Engineering: A. Proceedings of the Symposium on Engineering of Nanostructured Materials. ScienceDirect 204 (1–2): 186–192.
• Brad W. Zeiger; Kenneth S. Suslick (2011): Sonofragmentation of Molecular Crystals. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 37, 14530–14533.
• Petigny L., Périno-Issartier S., Wajsman J., Chemat F. (2013): Batch and Continuous Ultrasound Assisted Extraction of Boldo Leaves (Peumus boldus Mol.). International Journal of Molecular Science 14, 2013. 5750-5764.
• Ensminger, D. E. (1988): Acoustic and electroacoustic methods of dewatering and drying, in: Drying Tech. 6, 473 (1988).
• Kuldiloke, J. (2002): Effect of Ultrasound, Temperature and Pressure Treatments on Enzyme Activity an Quality Indicators of Fruit and Vegetable Juices; Ph.D. Thesis at Technische Universität Berlin (2002).
• Nyborg, W.L. (1965): Acoustic Streaming, Vol. 2B, Academic Press, New York (1965).