Az ultrahangos kezelés egy mechanikus feldolgozási módszer, amely akusztikus kavitációt és rendkívül intenzív fizikai erőket hoz létre. Ezért az ultrahangot számos alkalmazáshoz használják, mint például keverés, homogenizálás, marás, diszperzió, emulgeálás, extrakció, gáztalanítás és sono-kémiai reakciók.
Az alábbiakban mindent megtudhat a tipikus ultrahangos alkalmazásokról és folyamatokról.

Ultrahangos homogenizálása

Az ultrahangos homogenizátorok csökkentik a folyadékban lévő kis részecskéket az egyenletesség és a diszperziós stabilitás javítása érdekében. A részecskék (diszpergáló fázis) lehetnek folyékony fázisban szuszpendált szilárd anyagok vagy folyadékcseppek. Az ultrahangos homogenizálás nagyon hatékony a lágy és kemény részecskék csökkentésére. A Hielscher ultrahangos készülékeket gyárt bármely folyadékmennyiség homogenizálására és szakaszos vagy inline feldolgozásra. A laboratóriumi ultrahangos készülékek 1,5 ml és kb. 4L közötti térfogatokhoz használhatók. Az ultrahangos ipari eszközök 0,5 és kb. 2000 L közötti tételeket vagy óránként 0,1 litertől 20 köbméterig terjedő áramlási sebességeket képesek feldolgozni a folyamatfejlesztésben és a kereskedelmi termelésben.
Kattintson ide, hogy többet megtudni ultrahangos homogenizáló!

Ultrahangos szórására és deagglomeration

A szilárd anyagok folyadékokká történő diszperziója és deagglomerációja a szonda típusú ultrahangos készülékek fontos alkalmazása. Az ultrahangos / akusztikus kavitáció nagy nyíróerőket generál, amelyek a részecske-agglomerátumokat különálló, egyetlen diszpergált részecskékké bontják. A porok folyadékokba keverése gyakori lépés a különböző termékek, például festék, lakk, kozmetikai termékek, élelmiszerek és italok, vagy polírozó közegek előállításában. Az egyes részecskéket különböző fizikai és kémiai természetű vonzerők tartják össze, beleértve a van-der-Waals-erőket és a folyékony felületi feszültséget. Ultrasonication legyőzi ezeket a vonzó erőket annak érdekében, hogy deagglomerálja és diszpergálja a részecskéket folyékony közegben. A porok folyadékokban történő diszpergálásához és deagglomerációjához a nagy intenzitású ultrahangos kezelés érdekes alternatívája a nagynyomású homogenizátoroknak, a nagy nyírókeverőknek, a gyöngygyáraknak vagy a rotor-állórész-keverőknek.
Kattintson ide, hogy többet megtudni ultrahangos szórására és deagglomeration!

Ultrahangos emulzió

A köztes és fogyasztási cikkek széles skálája, mint például a kozmetikumok és a bőrápolók, a gyógyszeres kenőcsök, lakkok, festékek, kenőanyagok és üzemanyagok, részben vagy egészben emulziókon alapulnak. Az emulziók két vagy több elegyedhetetlen folyadékfázis diszperziói. A nagy intenzitású ultrahang elegendő intenzív nyírást biztosít ahhoz, hogy a folyékony fázist (diszpergált fázist) kis cseppekben egy második fázisban (folyamatos fázisban) diszpergálja. A diszpergáló zónában az összeomló kavitációs buborékok intenzív lökéshullámokat okoznak a környező folyadékban, és nagy folyadéksebességű (nagy nyírású) folyadéksugarak képződését eredményezik. Ultrasonication pontosan adaptálható a célemulzió méretéhez, lehetővé téve ezáltal a mikroemulziók és nanoemulziók megbízható előállítását.
Kattintson ide, ha többet szeretne olvasni az ultrahangos emulgeálásról!

Ultrahangos nedves őrléssel és csiszolókorongok

Ultrasonication hatékony eszköz a részecskék nedves marásához és mikro-őrléséhez. Különösen a szuperfinom méretű szuszpenziók gyártásához az ultrahangnak számos előnye van. Jobb, mint a hagyományos méretcsökkentő berendezések, mint például: kolloid malmok (pl. golyósmalmok, gyöngymalmok), tárcsás malmok vagy sugárhajtóművek. Ultrasonication képes feldolgozni nagy koncentrációjú és nagy viszkozitású szuszpenziókat - ezáltal csökkentve a feldolgozandó térfogatot. Természetesen az ultrahangos marás alkalmas mikron méretű és nanoméretű anyagok, például kerámiák, pigmentek, bárium-szulfát, kalcium-karbonát vagy fém-oxidok feldolgozására. Különösen, ha nano-anyagokról van szó, az ultrahangos kezelés kiemelkedő teljesítményt nyújt, mivel rendkívül hatásos nyíróerői egyenletesen kis nanorészecskéket hoznak létre.
Kattintson ide, hogy többet megtudni ultrahangos nedves őrlési és mikro-köszörülés!

Permetezett szárított TiO2 ultrahangos marás előtt és után

Ultrahangos sejt szétesés és lízis

Az ultrahangos kezelés a rostos, cellulózos anyagot finom részecskékre bonthatja, és megtörheti a sejtszerkezet falait. Ez több sejten belüli anyagot, például keményítőt vagy cukrot bocsát ki a folyadékba. Ez a hatás felhasználható a szerves anyagok erjedésére, emésztésére és egyéb konverziós folyamatára. Őrlés és őrlés után az ultrahangos kezelés több sejten belüli anyagot, például keményítőt, valamint a sejtfal törmelékét teszi elérhetővé az enzimek számára, amelyek a keményítőt cukorrá alakítják. A cseppfolyósítás vagy a szacharifikáció során növeli az enzimeknek kitett felületet is. Ez jellemzően növeli az élesztő erjedésének sebességét és hozamát, valamint más átalakítási folyamatokat, például a biomasszából származó etanoltermelés fellendítése érdekében.
Kattintson ide, hogy többet megtudni az ultrahangos dezintegráció sejt struktúrák!

ultrahangos kitermelése növényekkel

A sejtekben és a szubcelluláris részecskékben tárolt bioaktív vegyületek extrakciója a nagy intenzitású ultrahang széles körben alkalmazott alkalmazása. Az ultrahangos extrakciót másodlagos metabolitok (pl. Polifenolok), poliszacharidok, fehérjék, illóolajok és egyéb hatóanyagok izolálására használják a növények és gombák sejtmátrixából. Szerves vegyületek víz- és oldószeres extrakciójára alkalmas, az ultrahangos kezelés jelentősen javítja a növényekben vagy magvakban található botanikai anyagok hozamát. Az ultrahangos extrakciót gyógyszerek, táplálékkiegészítők / táplálékkiegészítők, illatanyagok és biológiai adalékanyagok előállítására használják. Az ultrahang egy zöld extrakciós technika, amelyet a bioaktív komponensek biofinomítókban történő extrakciójára is használnak, pl. értékes vegyületeket szabadítanak fel az ipari folyamatokban képződő, nem használt melléktermékáramokból. Ultrasonication egy rendkívül hatékony technológia a botanikai extrakció laboratóriumi és termelési skálán.
Kattintson ide az ultrahangos extrakcióval kapcsolatos további információkért!

Sonochemical alkalmazása Ultrasonics

A szonokémia az ultrahang alkalmazása kémiai reakciókra és folyamatokra. A folyadékok szonokémiai hatásait okozó mechanizmus az akusztikus kavitáció jelensége. A kémiai reakciókra és folyamatokra gyakorolt szonokémiai hatások közé tartozik a reakciósebesség vagy a kibocsátás növekedése, a hatékonyabb energiafelhasználás, a fázisátviteli katalizátorok teljesítménynövelése, a fémek és szilárd anyagok aktiválása vagy a reagensek vagy katalizátorok reakcióképességének növelése.
Kattintson ide, ha többet szeretne tudni az ultrahang szonokémiai hatásairól!

Az olaj ultrahangos átészterelése a biodízelhez

Ultrasonication növeli a kémiai reakciósebességet és a hozamot a növényi olajok és állati zsírok biodízellé történő átészterezésének. Ez lehetővé teszi a termelés kötegelt feldolgozásról folyamatos folyamatfeldolgozásra való megváltoztatását, és csökkenti a beruházási és működési költségeket. Az ultrahangos biodízelgyártás egyik fő előnye a hulladékolajok, például a kimerült étolajok és más rossz minőségű olajforrások használata. Az ultrahangos transzészterifikáció még az alacsony minőségű alapanyagokat is kiváló minőségű biodízellé alakíthatja (zsírsav-metil-észter / FAME). A biodízel növényi olajokból vagy állati zsírokból történő előállítása magában foglalja a zsírsavak metanollal vagy etanollal történő, báziskatalizált átészterezését, hogy a megfelelő metil-észtereket vagy etil-észtereket kapjuk. Az ultrahangos kezelés 99% -ot meghaladó biodízel-hozamot érhet el. Az ultrahang jelentősen csökkenti a feldolgozási időt és az elválasztási időt.
Kattintson ide, hogy többet megtudni a ultrahanggal segített átészterezés olaj biodízel!

Ultrahangos gáztalanítás és folyadékok levegőztetése

A folyadékok gáztalanítása a szonda típusú ultrahangos készülékek másik fontos alkalmazása. Az ultrahangos rezgések és a kavitáció az oldott gázok folyadékban való összeolvadását okozza. Ahogy a kis gázbuborékok összeolvadnak, ezáltal nagyobb buborékokat képeznek, amelyek onnan gyorsan lebegnek a folyadék felső felületére, és eltávolíthatók. Így az ultrahangos gáztalanítás és légtelenítés csökkentheti az oldott gáz szintjét a természetes egyensúlyi szint alatt.
Kattintson ide, hogy többet megtudni az ultrahangos gáztalanítás folyadékok!

Ultrahangos vezetékek, kábelek és szalagok tisztítása

Az ultrahangos tisztítás környezetbarát alternatíva a folyamatos anyagok, például huzal és kábel, szalag vagy csövek tisztítására. Az erőteljes ultrahangos kavitáció hatása eltávolítja a kenési maradványokat, például olajat vagy zsírt, szappanokat, sztearátokat vagy port az anyag felületéről. A Hielscher Ultrasonics különféle ultrahangos rendszereket kínál a folyamatos profilok inline tisztításához.
Kattintson ide a folyamatos profilok ultrahangos tisztításával kapcsolatos további információkért!

Mi teszi a szonikációt kiváló feldolgozási módszerré?

Az ultrahangos kezelés, vagy a nagyfrekvenciás hanghullámok használata folyadékok keverésére hatékony feldolgozási módszer számos okból. Íme néhány ok, amiért az ultrahangos kezelés nagy intenzitású és alacsony frekvenciájú kb. 20kHz különösen hatásos és előnyös a folyadékok és szuszpenziók feldolgozásához:

1. Kavitáció: Az ultrahangos kezelés egyik fő mechanizmusa az apró buborékok létrehozása és összeomlása, a kavitációnak nevezett jelenség. 20 kHz-en a hanghullámok éppen a megfelelő frekvencián vannak a buborékok hatékony létrehozásához és összeomlásához. Ezeknek a buborékoknak az összeomlása nagy energiájú lökéshullámokat hoz létre, amelyek lebonthatják a részecskéket és megzavarhatják a sejteket az ultrahangos folyadékban.
2. Oszcilláció és rezgés: A generált akusztikus kavitáció mellett az ultrahangos szonda oszcillációja további keverést és keverést hoz létre a folyadékban, ezáltal elősegítve a tömegátadást és / vagy gáztalanítást.
3. Behatolás: A 20 kHz-es hanghullámok viszonylag hosszú hullámhosszúak, ami lehetővé teszi számukra, hogy mélyen behatoljanak a folyadékokba. Az ultrahangos kavitáció egy lokalizált jelenség, amely az ultrahangos szonda környezetében jelenik meg. A szondától való távolság növekedésével a kavitáció intenzitása csökken. Azonban az 20kHz-es szonikálás hatékonyan kezelheti a nagyobb mennyiségű folyadékot, összehasonlítva a magasabb frekvenciájú szonikálással, amely rövidebb hullámhosszal rendelkezik, és behatolási mélységében korlátozottabb lehet.
4. Alacsony energiafogyasztás: Az ultrahangos kezelés viszonylag alacsony energiafogyasztással érhető el, összehasonlítva más feldolgozási módszerekkel, mint például a nagynyomású homogenizálás vagy a mechanikus keverés. Ez energiahatékonyabb és költséghatékonyabb módszerré teszi a folyadékok feldolgozására.
5. Lineáris méretezhetőség: Az ultrahangos folyamatok teljesen lineárisan méretezhetők nagyobb vagy kisebb mennyiségekre. Ez megbízhatóvá teszi a gyártási folyamatok adaptációját, mivel a termékminőség folyamatosan stabil maradhat.
6. Kötegelt és beágyazott folyamat: Az ultrahangos kezelés kötegelt vagy folyamatos inline folyamatként hajtható végre. A tételek ultrahangos kezeléséhez az ultrahangos szondát behelyezzük a nyitott edénybe vagy zárt tételű reaktorba. A folyamatos áramlási áram szonikálásához ultrahangos áramlási cellát telepítenek. A folyékony közeg áthalad a sonotrode (ultrahangosan rezgő rúd) egyetlen menetben vagy recirkulációban, és rendkívül egyenletes és hatékony az ultrahanghullámoknak kitéve.

Összességében a kavitáció intenzív erői, az alacsony energiafogyasztás és a folyamat skálázhatósága miatt az alacsony frekvenciájú, nagy teljesítményű szonikáció hatékony módszer a folyadékok feldolgozására.

Működési elv és az ultrahangos feldolgozás használata

Ultrasonication egy kereskedelmi feldolgozási technológia, amelyet számos iparág elfogadott a nagyüzemi termeléshez. A nagy megbízhatóság és a méretarányosság, valamint az alacsony karbantartási költségek és a magas energiahatékonyság miatt az ultrahangos processzorok jó alternatíva a hagyományos folyadékfeldolgozó berendezések számára. Az ultrahang további izgalmas lehetőségeket kínál: A kavitáció - az alapvető ultrahangos hatás - egyedülálló eredményeket hoz a biológiai, kémiai és fizikai folyamatokban. Például az ultrahangos diszperzió és emulgeálás könnyen stabil nano méretű készítményeket hoz létre. A botanikai extrakció területén az ultrahang nem termikus technika a bioaktív vegyületek izolálására.

Míg az alacsony intenzitású vagy nagyfrekvenciás ultrahangot elsősorban elemzésre, roncsolásmentes tesztelésre és képalkotásra használják, a nagy intenzitású ultrahangot folyadékok és paszták feldolgozására használják, ahol intenzív ultrahanghullámokat használnak keverésre, emulgeálásra, diszpergálásra és deagglomerációra, sejtbontásra vagy enzim deaktiválásra. Amikor a folyadékokat nagy intenzitással szonikálják, a hanghullámok a folyékony közegen keresztül terjednek. Ez váltakozó nagynyomású (kompressziós) és alacsony nyomású (ritkaság) ciklusokat eredményez, a sebesség a frekvenciától függ. Az alacsony nyomású ciklus alatt a nagy intenzitású ultrahangos hullámok kis vákuumbuborékokat vagy üregeket hoznak létre a folyadékban. Amikor a buborékok olyan térfogatot érnek el, amelyen már nem képesek elnyelni az energiát, hevesen összeomlanak egy nagynyomású ciklus során. Ezt a jelenséget kavitációnak nevezik. A berobbanás alatt a nagyon magas hőmérsékletet (kb. 5,000K) és a nyomást (kb. 2,000atm) helyileg érik el. A kavitációs buborék berobbanása akár 280 méter/másodperc sebességű folyadéksugarakat is eredményez.

A folyadékok ultrahangos kavitációja gyors és teljes gáztalanítást okozhat; különböző kémiai reakciókat indítson szabad kémiai ionok (gyökök) generálásával; felgyorsítja a kémiai reakciókat a reaktánsok keverésének megkönnyítésével; fokozza a polimerizációs és depolimerizációs reakciókat az aggregátumok diszpergálásával vagy a polimer láncokban lévő kémiai kötések végleges megszakításával; növelje az emulgeálási sebességet; javítja a diffúziós arányokat; erősen koncentrált emulziókat vagy mikron- vagy nanoméretű anyagok egyenletes diszperzióit állítják elő; segíti az olyan anyagok kivonását, mint az enzimek állati, növényi, élesztő- vagy baktériumsejtekből; távolítsa el a vírusokat a fertőzött szövetekből; és végül erodáljuk és lebontjuk a fogékony részecskéket, beleértve a mikroorganizmusokat is. (vö. Kuldiloke 2002)

A nagy intenzitású ultrahang erőszakos keverést eredményez alacsony viszkozitású folyadékokban, amelyek felhasználhatók az anyagok folyadékokban való diszpergálására. (vö. Ensminger, 1988) Folyadék/szilárd vagy gáz/szilárd kapcsolódási pontokon a kavitációs buborékok aszimmetrikus berobbanása szélsőséges turbulenciákat okozhat, amelyek csökkentik a diffúziós határréteget, növelik a konvekciós tömegátadást, és jelentősen felgyorsítják a diffúziót azokban a rendszerekben, ahol a szokásos keverés nem lehetséges. (vö. Nyborg, 1965)

Irodalom