Ultrahang: Alkalmazások és folyamatok
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, őrlés, diszperzió, emulgeálás, extrakció, gáztalanítás és szono-kémiai reakciók.
Az alábbiakban mindent megtudhat a tipikus ultrahangos alkalmazásokról és folyamatokról.
ultrahangos homogenizálás
Az ultrahangos homogenizátorok csökkentik a folyadékban lévő kis részecskéket az egyenletesség és a diszperziós stabilitás javítása érdekében. A részecskék (diszperziós fázis) lehetnek szilárd anyagok vagy folyékony cseppek, amelyek folyékony fázisban szuszpendálódnak. Az ultrahangos homogenizálás nagyon hatékony a lágy és kemény részecskék csökkentésére. A Hielscher ultrahangos készülékeket gyárt bármilyen folyadékmennyiség homogenizálására és kötegelt vagy inline feldolgozásra. A laboratóriumi ultrahangos készülékek 1,5 ml-től kb. 4 literig terjedő térfogatokhoz használhatók. Az ultrahangos ipari készülékek 0,5 és kb. 2000L közötti tételeket vagy 0,1L és 20 köbméter / óra közötti áramlási sebességet dolgozhatnak fel a folyamatfejlesztésben és a kereskedelmi termelésben.
Kattintson ide, ha többet szeretne megtudni az ultrahangos homogenizálásról!
Ultrahangos diszpergálás és deagglomeráció
A szilárd anyagok diszperziója és deagglomerációja folyadékokba a szonda típusú ultrahangos készülékek fontos alkalmazása. Az ultrahangos / akusztikus kavitáció nagy nyíróerőket generál, amelyek a részecskék agglomerátumait egyedi, egyetlen diszpergált részecskékké bontják. A porok folyadékokká keverése gyakori lépés a különböző termékek, például festékek, lakkok, kozmetikai termékek, élelmiszerek és italok, vagy polírozó közegek előállításában. Az egyes részecskéket különböző fizikai és kémiai természetű vonzerők, köztük a van-der-Waals-erők és a folyékony felületi feszültség tartják össze. Az ultrahangos kezelés legyőzi ezeket a vonzerőt annak érdekében, hogy deagglomerálja és diszpergálja a részecskéket folyékony közegben. A folyadékokban lévő porok diszpergálásához és deagglomerációjához a nagy intenzitású ultrahangos kezelés érdekes alternatívája a nagynyomású homogenizátoroknak, nagy nyíróerejű keverőknek, gyöngymalmoknak vagy rotor-állórész-keverőknek.
Kattintson ide, ha többet szeretne megtudni az ultrahangos diszpergálásról és a deagglomerációról!
ultrahangos emulgeálás
A köztes és fogyasztási cikkek széles köre, mint például kozmetikumok és bőrápolók, gyógyszerészeti kenőcsök, lakkok, festékek, kenőanyagok és üzemanyagok részben vagy egészben emulziókon alapulnak. Az emulziók két vagy több nem elegyedő folyadékfázis diszperziói. A rendkívül intenzív ultrahang elég intenzív nyírást biztosít ahhoz, hogy egy folyékony fázist (diszpergált fázis) kis cseppekben diszpergáljon egy második fázisban (folyamatos fázis). A diszpergáló zónában az imploding kavitációs buborékok intenzív lökéshullámokat okoznak a környező folyadékban, és nagy folyadéksebességű (nagy nyíró) folyadéksugarak képződését eredményezik. Az ultrahangos kezelés pontosan adaptálható a cél emulzió méretéhez, lehetővé téve ezáltal a mikro-emulziók és nano-emulziók megbízható előállítását.
Kattintson ide, ha többet szeretne megtudni az ultrahangos emulgeálásról!
Az UIP1000hdT 1000 wattos erős ultrahangos készülék homogenizálási, marási és extrakciós alkalmazásokhoz.
Ultrahangos nedves marás és őrlés
Az ultrahangos kezelés hatékony eszköz a részecskék nedves őrlésére és mikro-őrlésére. Különösen a szuperfinom méretű szuszpenziók gyártásához az ultrahangnak számos előnye van. Felülmúlja a hagyományos méretcsökkentő berendezéseket, mint például: kolloidmalmok (pl. golyós malmok, gyöngymalmok), tárcsás malmok vagy sugármalmok. Az ultrahangos kezelés nagy koncentrációjú és nagy viszkozitású szuszpenziókat dolgozhat fel – ezáltal csökkentve a feldolgozandó mennyiséget. Természetesen az ultrahangos marás alkalmas mikron méretű és nanoméretű anyagok, például kerámia, pigmentek, bárium-szulfát, kalcium-karbonát vagy fém-oxidok feldolgozására. Különösen a nanoanyagok esetében, az ultrahangos kezelés kiváló teljesítményt nyújt, mivel nagy hatású nyíróerői egyenletesen kis nanorészecskéket hoznak létre.
Kattintson ide, ha többet szeretne megtudni az ultrahangos nedves marásról és a mikrocsiszolásról!
Porlasztva szárított TiO2 ultrahangos marás előtt és után
Ultrahangos sejt szétesés és lízis
Az ultrahangos kezelés szétesheti a rostos, cellulózos anyagot finom részecskékké és megszakíthatja a sejtszerkezet falát. Ez több intracelluláris anyagot, például keményítőt vagy cukrot szabadít fel a folyadékba. Ez a hatás felhasználható a szerves anyagok erjesztésére, emésztésére és egyéb átalakítási folyamataira. Az őrlés és őrlés után az ultrahangos kezelés több intracelluláris anyagot, pl. keményítőt, valamint a sejtfal törmeléket elérhetővé teszi az enzimek számára, amelyek a keményítőt cukrokká alakítják. Növeli az enzimeknek kitett felületet a cseppfolyósítás vagy a cukrosítás során. Ez jellemzően növeli az élesztő erjedésének és más átalakítási folyamatainak sebességét és hozamát, például a biomasszából származó etanoltermelés fellendítése érdekében.
Kattintson ide, ha többet szeretne megtudni a sejtszerkezetek ultrahangos széteséséről!
botanikai anyagok ultrahangos extrakciója
A sejtekben és 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. Alkalmas szerves vegyületek víz- és oldószer-extrakciójára, az ultrahangos kezelés jelentősen javítja a növényekben vagy magokban található botanikai növények hozamát. Az ultrahangos extrakciót gyógyszerek, táplálékkiegészítők / táplálékkiegészítők, illatanyagok és biológiai adalékanyagok előállítására használják. Az ultrahangos egy zöld extrakciós technika, amelyet bioaktív komponensek kivonására is használnak biofinomítókban, pl. Engedjen el értékes vegyületeket az ipari folyamatokban képződött nem hasznosított melléktermékáramokból. Az ultrahangos kezelés rendkívül hatékony technológia a botanikai extrakcióhoz laboratóriumi és termelési méretekben.
Kattintson ide az ultrahangos extrakcióval kapcsolatos további információkért!
Ultrahangos reaktor 16 000 watt ultrahanggal továbbfejlesztett folyadékfeldolgozáshoz.
Az ultrahang szonokémiai alkalmazása
A sonokémia az ultrahang alkalmazása kémiai reakciókra és folyamatokra. A folyadékokban szonokémiai hatásokat okozó mechanizmus az akusztikus kavitáció jelensége. A kémiai reakciók és folyamatok szonokémiai hatásai közé tartozik a reakciósebesség vagy a kimenet növekedése, hatékonyabb energiafelhasználás, a fázisátviteli katalizátorok teljesítményének javítása, fémek és szilárd anyagok aktiválása vagy a reagensek vagy katalizátorok reakcióképességének növekedése.
Kattintson ide, ha többet szeretne megtudni az ultrahang szonokémiai hatásairól!
Az olaj ultrahangos átészterezése biodízelre
Az ultrahangos kezelés növeli a kémiai reakciósebességet és a növényi olajok és állati zsírok biodízelbe történő átészterezésének hozamát. Ez lehetővé teszi a gyártás átállását a szakaszos feldolgozásról a folyamatos áramlású feldolgozásra, és csökkenti a beruházási és működési költségeket. Az ultrahangos biodízelgyártás egyik legnagyobb előnye a hulladékolajok, például a használt főzőolajok és más rossz minőségű olajforrások használata. Az ultrahangos átészterezés még az alacsony minőségű alapanyagokat is kiváló minőségű biodízellé (zsírsav-metil-észter / FAME) alakíthatja. A biodízel növényi olajokból vagy állati zsírokból történő előállítása magában foglalja a zsírsavak bázis-katalizált átészterezését metanollal vagy etanollal, hogy megfelelő metil-észtereket vagy etil-észtereket kapjunk. Az ultrahangos kezelés elérheti a biodízel hozamot, amely meghaladja a 99% -ot. Az ultrahang jelentősen csökkenti a feldolgozási időt és az elválasztási időt.
Kattintson ide, ha többet szeretne megtudni az olaj ultrahanggal segített átészterezéséről biodízelbe!
Folyadékok ultrahangos gáztalanítása és levegőztetése
A folyadékok gáztalanítása a szonda típusú ultrahangos készülékek másik fontos alkalmazása. Az ultrahangos rezgések és a kavitáció az oldott gázok összeolvadását okozza folyadékban. Ahogy a parányi gázbuborékok összeolvadnak, nagyobb buborékokat képeznek, amelyek gyorsan lebegnek a folyadék felső felületére, onnan eltávolíthatók. Így az ultrahangos gáztalanítás és légtelenítés csökkentheti az oldott gáz szintjét a természetes egyensúlyi szint alatt.
Kattintson ide, ha többet szeretne megtudni a folyadékok ultrahangos gáztalanításáról!
Ultrahangos huzal-, kábel- és szalagtisztítás
Az ultrahangos tisztítás környezetbarát alternatíva a folyamatos anyagok, például huzal és kábel, szalag vagy csövek tisztítására. Az erős ultrahangos kavitáció hatása eltávolítja a kenési maradványokat, például olajat vagy zsírt, szappanokat, sztearátokat vagy port az anyag felületéről. A Hielscher Ultrasonics különböző ultrahangos rendszereket kínál a folyamatos profilok inline tisztításához.
Kattintson ide további információkért a folyamatos profilok ultrahangos tisztításáról!
Kapcsolat! / Kérdezzen tőlünk!
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:
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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 teszi az alacsony frekvenciájú, nagy teljesítményű szonikálást hatékony módszerré a folyadékok feldolgozására.
Az ultrahangos feldolgozás működési elve és alkalmazása
Az ultrahangos kezelés egy kereskedelmi feldolgozási technológia, amelyet számos iparág elfogadott a nagyszabású termeléshez. A nagy megbízhatóság és méretezhetőség, valamint az alacsony karbantartási költségek és a magas energiahatékonyság teszi az ultrahangos processzorokat jó alternatívává a hagyományos folyadékfeldolgozó berendezések számára. Az ultrahang további izgalmas lehetőségeket kínál: A kavitáció - az alapvető ultrahangos hatás - egyedülálló eredményeket produkál a biológiai, kémiai és fizikai folyamatokban. Például az ultrahangos diszperzió és az emulgeálás könnyen előállítható stabil nanoméretű készítmények. 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, sejtszétesésre vagy enzim deaktiválásra. A folyadékok nagy intenzitású szonikálásakor a hanghullámok a folyékony közegen keresztül terjednek. Ez váltakozó nagynyomású (kompressziós) és alacsony nyomású (ritkaság) ciklusokat eredményez, amelyek sebessége a frekvenciától függ. Az alacsony nyomású ciklus alatt a nagy intenzitású ultrahangos hullámok kis vákuumbuborékokat vagy üregeket hoznak létre a folyadékban. Amikor a buborékok elérik azt a térfogatot, amelyen már nem képesek energiát elnyelni, hevesen összeomlanak egy nagynyomású ciklus során. Ezt a jelenséget kavitációnak nevezik. Az implózió során nagyon magas hőmérsékletet (kb. 5000K) és nyomást (kb. 2000 atm) érnek el helyben. A kavitációs buborék implóziója másodpercenként akár 280 méteres folyékony fúvókákat is eredményez.
A folyadékok ultrahangos kavitációja gyors és teljes gáztalanítást okozhat; különböző kémiai reakciókat indít szabad kémiai ionok (gyökök) előállításával; felgyorsítja a kémiai reakciókat a reagensek keverésének megkönnyítésével; fokozza a polimerizációs és depolimerizációs reakciókat aggregátumok diszpergálásával vagy a kémiai kötések polimer láncokban történő tartós megszakításával; növelje az emulgeálási sebességet; javítja a diffúziós sebességet; mikron vagy nanoméretű anyagok erősen koncentrált emulzióit vagy egyenletes diszperzióit állítják elő; segíti az anyagok, például enzimek kivonását állati, növényi, élesztő- vagy baktériumsejtekből; távolítsa el a vírusokat a fertőzött szövetből; és végül erodálják és lebontják az érzékeny részecskéket, beleértve a mikroorganizmusokat is. (vö. Kuldiloke 2002)
A nagy intenzitású ultrahang heves keverést eredményez alacsony viszkozitású folyadékokban, amelyek folyadékokban lévő anyagok diszpergálására használhatók. (vö. Ensminger, 1988) Folyadék/szilárd vagy gáz/szilárd határfelületeken a kavitációs buborékok aszimmetrikus implóziója szélsőséges turbulenciákat okozhat, amelyek csökkentik a diffúziós határréteget, növelik a konvekciós tömegátadást, és jelentősen felgyorsítják a diffúziót olyan rendszerekben, ahol a szokásos keverés nem lehetséges. (vö. Nyborg, 1965)
Erőteljes ultrahangos kavitáció a Hielscher Cascatrode-nál
Irodalom
- 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).
Ultrahangos reaktor 4x 2000 wattos szondákkal (8kW) szonokémiai folyamatokhoz.
Hielscher Ultrasonics gyárt nagy teljesítményű ultrahangos homogenizátorok labor hoz ipari méret.