Ultrazvučna kavitacija u tekućinama
Ultrasonic cavitation is the driving force behind high-intensity ultrasonic liquid processing. When powerful ultrasound is coupled into a liquid, microscopic vapor bubbles form, grow and collapse violently. This acoustic cavitation creates intense local shear forces, microjets, shock waves, pressure changes and micro-mixing effects that can accelerate homogenization, dispersing, emulsification, extraction, degassing, cell disruption and sonochemical reactions.
Hielscher sonicator sonde koristi kontroliranu akustičnu kavitaciju za izravni prijenos ultrazvučne energije u tekućine, suspenzije i kaše. Od malih laboratorijskih uzoraka do kontinuirane industrijske proizvodnje prolazom, Hielscher sustavi omogućuju vam podešavanje amplitude, geometrije sonotrode, tlaka, temperature, brzine protoka i vremena zadržavanja za ponovljive rezultate kavitacije.
- Za laboratorije: razvijajte i optimizirajte parametre sonikacije u malim volumenima.
- Za pilot postrojenja: validirajte procese vođene kavitacijom u stvarnim uvjetima obrade.
- Za proizvodnju: skalirajte ultrazvučnu kavitaciju u serijske, recirkulacijske ili kontinuirane inline procese.
Recite nam svoj tekući medij, volumen serije ili protok, viskoznost, sadržaj krutih tvari, temperaturna ograničenja i ciljanu procesnu rezultat. Preporučit ćemo optimalni sonikator, sonotrodu i konfiguraciju protočne ćelije za vašu kavitacijsku primjenu.
Sonikatori s sondom poput UP400St koristiti princip rada akustične kavitacije.
Princip rada ultrazvučne kavitacije
Prilikom sonikiranja tekućina pri visokim intenzitetima, zvučni valovi koji se šire u tekući medij rezultiraju 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 tekućim mlazovima brzine do 280 m/s.
Akustična kavitacija (generirana snažnim ultrazvukom) stvara lokalno ekstremne uvjete, tzv. sonomehaničke i sonokemijske učinke. Zbog ovih učinaka, sonikacija potiče kemijske reakcije koje dovode do većih prinosa, brže reakcije, novih puteva i poboljšane ukupne učinkovitosti.
Sonikator s sondom ili ultrazvučna kupka: Koja metoda kavitacije je prava?
Probe sonicatori i ultrazvučne kupke stvaraju akustičnu kavitaciju, ali se značajno razlikuju po intenzitetu, kontroli i pouzdanosti procesa. Iako su ultrazvučne kupke korisne za čišćenje, sonatori tipa sonde izravno usmjeravaju ultrazvučnu energiju u tekućinu i stvaraju mnogo jaču, fokusiranu zonu kavitacije. To čini sonične sonatore preferiranim izborom za ponovljive primjene obrade tekućina kao što su homogenizacija, emulzifikacija, ekstrakcija, razbijanje stanica, disperzija nanočestica i sonokemijske reakcije.
| Kriteriji usporedbe | probe sonicator | ultrazvučna kupka |
|---|---|---|
| Intenzitet kavitacije | Proizvodi visokointenzivnu akustičnu kavitaciju izravno na vrhu sonotrode. | Proizvodi slabiju kavitaciju raspoređenu po volumenu kupke. |
| Prijenos energije | Prenosi ultrazvučnu energiju izravno u tekućinu, suspenziju ili kašu. | Prenosi energiju neizravno kroz tekućinu kupke i stijenku posude. |
| kontrola procesa | Omogućuje precizno podešavanje amplitude, ulazne snage, načina pulsa, temperature i vremena obrade. | Nudi ograničenu kontrolu nad stvarnom ultrazvučnom energijom koja dolazi do uzorka. |
| ponovljivost | Omogućuje ponovljive rezultate sonikacije kada su parametri procesa definirani i praćeni. | Rezultati mogu varirati zbog neujednačene raspodjele kavitacije, položaja posude, materijala posude, razina punjenja i punjenje u kupki. |
| Učinkovitost obrade | Visoko učinkovit za homogeniziranje, disperziju, emulgiranje, ekstrakciju, razbijanje stanica i sonokemiju. | Pogodan uglavnom za čišćenje. |
| Volumen uzorka | Dostupan za male laboratorijske uzorke kao i za pilot i industrijske volumene. | Obično se koristi za male spremnike ili više spremnika postavljenih unutar kupke. |
| povećanje ljestvice | Može se skalirati od laboratorijskih testova do pilot-proba i kontinuirane industrijske inline obrade. | Teško je pouzdano skalirati jer raspodjela energije i intenzitet kavitaracije nisu lako prenosivi. |
| Pogodni mediji | Učinkovit za tekućine, emulzije, suspenzije, kaše i formulacije s visokim udjelom krutih tvari. | Najprikladniji za tekućine niske viskoznosti i jednostavne zadatke čišćenja ili odplinjavanja. |
| Tipične primjene | Disperzija nančestica, nanoemulzije, ekstrakcija, liza stanica, homogenizacija, deaglomeracija, mokro mljevenje i sonokemijske reakcije. | Čišćenje laboratorijskog posuđa, odplinjavanje tekućina, otapanje praškova i blago mućkanje uzoraka. |
| Najbolji izbor za | Kontroliranu, snažnu i ponovljivu ultrazvučnu obradu tekućina. | Jednostavno čišćenje ili ultrazvučna obrada niske intenzivnosti. |
Ključne primjene sonikatora i akustične kavitaracije
Ultrazvučni uređaji tipa sonde, poznati i kao ultrazvučne sonde, učinkovito stvaraju intenzivnu akustičnu kavitaciju u tekućinama. Stoga se naširoko koriste u različitim primjenama u različitim industrijama. Neke od najvažnijih primjena akustične kavitacije generirane ultrazvučnim uređajima tipa sonde uključuju:
- Homogenizacija: Ultrazvučne sonde mogu generirati intenzivnu kavitaciju, koja se karakterizira kao energetski gusto polje vibracija i posmičnih sila. Ove sile omogućuju izvrsno miješanje, miješanje i smanjenje veličine čestica. Ultrazvučna homogenizacija proizvodi jednoliko izmiješane suspenzije. Stoga se sonikacija koristi za proizvodnju homogene koloidne suspenzije s uskim krivuljama distribucije.
- Disperzija nanočestica: Ultrasonicators se koriste za disperziju, deaglomeraciju i mokro mljevenje nanočestica. Niskofrekventni ultrazvučni valovi mogu stvoriti jaku kavitaciju, koja razbija nakupine i smanjuje veličinu čestica. Konkretno, veliko smicanje mlaznica tekućine ubrzava čestice u tekućini, koje se sudaraju jedna s drugom (interpartikulatni sudar) tako da se čestice posljedično lome i erodiraju. To rezultira ravnomjernom i stabilnom raspodjelom čestica sprječavajući taloženje. To je ključno u raznim područjima, uključujući nanotehnologiju, znanost o materijalima i farmaceutiku.
- Emulgiranje i miješanje: Ultrasonicators tipa sonde koriste se za stvaranje emulzija i miješanje tekućina. Ultrazvučna energija uzrokuje kavitaciju, stvaranje i kolaps mikroskopskih mjehurića, što stvara intenzivne lokalne sile smicanja. Ovaj proces pomaže u emulgiranju tekućina koje se ne miješaju, stvarajući stabilne i fino raspršene emulzije.
- Izvlačenje: Zbog kavitacijskih sila smicanja, ultrazvučni uređaji vrlo su učinkoviti u ometanju staničnih struktura i poboljšanju prijenosa mase između krutine i tekućine. Stoga se ultrazvučna ekstrakcija široko koristi za oslobađanje unutarstaničnog materijala kao što su bioaktivni spojevi za proizvodnju visokokvalitetnih botaničkih ekstrakata.
- Otplinjavanje i odzračivanje: Ultrasonicators tipa sonde koriste se za uklanjanje mjehurića plina ili otopljenih plinova iz tekućina. Primjena ultrazvučne kavitacije potiče spajanje mjehurića plina tako da rastu i plutaju na vrhu tekućine. Ultrazvučna kavitacija čini otplinjavanje brzim i učinkovitim postupkom. Ovo je vrijedno u raznim industrijama, kao što su boje, hidraulične tekućine ili obrada hrane i pića, gdje prisutnost plinova može negativno utjecati na kvalitetu i stabilnost proizvoda.
- Sonokataliza: Ultrazvučne sonde mogu se koristiti za sonokatalizu, proces koji kombinira akustičnu kavitaciju s katalizatorima za poboljšanje kemijskih reakcija. Kavitacija koju stvaraju ultrazvučni valovi poboljšava prijenos mase, povećava stopu reakcije i potiče proizvodnju slobodnih radikala, što dovodi do učinkovitijih i selektivnijih kemijskih transformacija.
- Priprema uzorka: Ultrazvučni uređaji tipa sonde obično se koriste u laboratorijima za pripremu uzoraka. Koriste se za homogenizaciju, dezagregaciju i ekstrakciju bioloških uzoraka, kao što su stanice, tkiva i virusi. Ultrazvučna energija koju stvara sonda remeti stanične membrane, oslobađa stanični sadržaj i olakšava daljnju analizu.
- Dezintegracija i razbijanje stanica: Ultrazvučni uređaji tipa sonde koriste se za dezintegraciju i ometanje stanica i tkiva u različite svrhe, kao što je ekstrakcija unutarstaničnih komponenti, inaktivacija mikroba ili priprema uzorka za analizu. Ultrazvučni valovi visokog intenziteta i time stvorena kavitacija uzrokuju mehaničko naprezanje i posmične sile, što rezultira raspadom staničnih struktura. U biološkim istraživanjima i medicinskoj dijagnostici, ultrazvučni uređaji tipa sonde koriste se za lizu stanica, proces razbijanja stanica kako bi se oslobodile njihove unutarstanične komponente. Ultrazvučna energija remeti stanične stijenke, membrane i organele, omogućujući ekstrakciju proteina, DNA, RNA i drugih staničnih sastojaka.
Ovo su neke od ključnih primjena ultrazvučnih uređaja tipa sonde, ali tehnologija ima još širi raspon drugih upotreba, uključujući sonokemiju, smanjenje veličine čestica (mokro mljevenje), sintezu čestica odozdo prema gore i sono-sintezu kemijskih tvari i materijale u raznim industrijama kao što su farmaceutska industrija, prerada hrane, biotehnologija i znanosti o okolišu.
Slijed velike brzine (od a do f) okvira koji ilustriraju sono-mehaničko ljuštenje grafitne pahuljice u vodi koristeći UP200S, ultrazvučni uređaj od 200 W sa sonotrodom od 3 mm. Strelice pokazuju mjesto cijepanja čestica s kavitacijskim mjehurićima koji prodiru kroz cijepanje.
© Tyurnina i sur. 2020
Iskoristite prednosti ultrazvučne kavitacije!
Donja tablica daje vam naznaku približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:
| Volumen serije | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 1 do 500 ml | 10 do 200 ml/min | UP100H |
| 10 do 2000 ml | 20 do 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100l | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| na | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| na | veći | klaster od UIP16000 |
Videozapis akustične kavitacije u tekućini
Sljedeći video prikazuje akustičnu kavitaciju na kaskatrodi ultrazvučnog uređaja UIP1000hdT u staklenoj koloni ispunjenoj vodom. Stakleni stup osvijetljen je s donje strane crvenim svjetlom kako bi se poboljšala vizualizacija kavitacijskih mjehurića.
Hielscher Ultrasonics proizvodi visokoučinkovite ultrazvučne homogenizatore za aplikacije miješanja, disperziju, emulzifikaciju i ekstrakciju u laboratorijskim, pilotskim i industrijskim razmjerima.
Često postavljana pitanja
Što je ultrazvučna kavitacija?
Ultrazvučna kavitacija je formiranje, rast i nasilni kolaps mikroskopskih mjehurića u tekućini izloženo visoko-intenzivnom ultrazvuku. Kolaps ovih mjehurića stvara intenzivno lokalno smicanje, mikro mlazove tekućine, udarne valove, visoke tlakove i jake učinke mikro-miješanja.
Koja je razlika između ultrazvučne kavitacije i akustične kavitacije?
Akustična kavitacija je opći pojam za kavitaciju uzrokovanu zvučnim valovima. Ultrazvučna kavitacija je akustična kavitacija proizvedena ultrazvučnim frekvencijama, obično iznad čujnog raspona. U industrijskoj obradi tekućina oba se pojma često koriste za kavitaciju proizvedenu visokoučinskim ultrazvučnim uređajima.
Kako ultrazvučna kavitacija poboljšava obradu tekućina?
Ultrazvučna kavitacija poboljšava obradu tekućina stvaranjem intenzivnih mehaničkih i kemijskih učinaka unutar tekućine. Mehanički učinci podržavaju miješanje, homogenizaciju, emulgiranje, razdvajanje čestica, mokro mljevenje, ekstrakciju i narušavanje stanica. U reaktivnim sustavima kavitacija također može poticati sonokemijske učinke i poboljšati prijenos mase.
Koje se primjene koriste ultrazvučnu kavitaciju?
Ultrazvučna kavitacija koristi se za homogenizaciju, dispergiranje, emulgiranje, nanoemulzifikaciju, ekstrakciju, degaziranje, deaglomeraciju, smanjenje veličine čestica, lizu stanica, mikrobnu disruptivnost, sonokemiju, sonokatalizu i napredne tekuće reakcije.
Zašto su ultrazvučni uređaji s sondom učinkoviti za kavitaciju?
Ultrazvučni uređaji s sondom prenose ultrazvučnu energiju izravno u tekućinu preko sonotrode. Ovo izravno povezivanje energije stvara intenzivnu kavitacijsku zonu u blizini površine sonotrode i omogućuje precizno podešavanje važnih procesnih parametara kao što su amplituda, ulazna snaga, temperatura, tlak i vrijeme obrade.
Je li ultrazvučna kupelj prikladna za snažnu kavitaciju?
Ultrazvučne kupke proizvode kavitaciju, ali gustoća energije obično je znatno niža i manje fokusirana nego kod sonikatora s sondom. Kupke su korisne za čišćenje i blage tretmane, dok se sonikatori s sondom preferiraju za reproducibilnu homogenizaciju, ekstrakciju, emulgiranje, disperziju, razbijanje stanica i industrijsku obradu tekućina.
Pročitajte i pogledajte kako se sonikatori s sondom i ultrazvučne kupke razlikuju!
Koji parametri utječu na intenzitet ultrazvučne kavitacije?
Važni parametri uključuju amplitudu, ultrazvučnu snagu, površinu sonotrode, volumen tekućine, viskoznost, sadržaj krutih tvari, tlak, temperaturu, geometriju posude, geometriju protoka u ćeliji, protok i vrijeme zadržavanja. Podešavanjem ovih parametara moguće je prilagoditi intenzitet kavitacije cilju procesa.
Može li se ultrazvučna kavitacija skalirati iz laboratorija na proizvodnju?
Da. Procesi ultrazvučne kavitacije mogu se razviti u laboratorijskim volumenima i prenijeti na pilot ili industrijsku skalu kontroliranjem amplitude, unosa energije, geometrije sonotrode, protoka i vremena zadržavanja. Hielscher nudi ultrazvučnike i reaktore za laboratorijska ispitivanja, pilot probe i kontinuiranu industrijsku proizvodnju.
Literatura / Reference
- Suslick, K.S. (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; 4th Ed. J. Wiley & Sons: New York, 1998, vol. 26, 517-541.
- Aharon Gedanken (2003): Sonochemistry and its application to nanochemistry. Current Science Vol. 85, No. 12 (25 December 2003), pp. 1720-1722.
- 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.
- Ali Gholami, Fathollah Pourfayaz, Akbar Maleki (2021): Techno-economic assessment of biodiesel production from canola oil through ultrasonic cavitation. Energy Reports, Volume 7, 2021. 266-277.
- Anastasia V. Tyurnina, Iakovos Tzanakis, Justin Morton, Jiawei Mi, Kyriakos Porfyrakis, Barbara M. Maciejewska, Nicole Grobert, Dmitry G. Eskin 2020): Ultrasonic exfoliation of graphene in water: A key parameter study. Carbon, Vol. 168, 2020.
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi od laboratorija do industrijska veličina.