Ultrasonic waves of high intensity ultrasound generate acoustic cavitation in liquids. Cavitation causes extreme effects locally, such as liquid jets of up to 1000km/hr, pressures of up to 2000 atm and temperatures of up to 5000 Kelvin. These ultrasonically-generated forces are used for numerous liquid processing applications such as homogenization, dispersing, emulsification, extraction, cell disruption, as well as the intensification of chemical reactions.

Az ultrahangos kavitáció működési elve

Nagy koncentrációjú folyadékok ultrahangozásakor a folyékony közegbe bejutó hanghullámok váltakozó nagynyomású (tömörítési) és alacsony nyomású (ritkítási) ciklusokat eredményeznek, frekvenciától függően. Az alacsony nyomású ciklus alatt a nagy intenzitású ultrahangos hullámok kis vákuum buborékokat vagy üregeket hoznak létre a folyadékban. Amikor a buborékok olyan térfogatot érnek el, amelyen már nem képesek elnyelni az energiát, akkor hevesen összeomlik a nagynyomású ciklus alatt. Ezt a jelenséget kavitációnak nevezik. Az implózis során lokálisan magas hőmérsékleteket (kb. 5000K) és nyomást (kb. 2000m) érnek el. A kavitációs buborék implozíciója akár 280 m / s sebességű folyékony fúvókákat eredményez.

Az akusztikus kavitáció (amelyet az erő ultrahang generál) lokálisan szélsőséges körülményeket, úgynevezett szonomechanikai és szonokémiai hatásokat hoz létre. Ezeknek a hatásoknak köszönhetően az ultrahangos kezelés elősegíti a kémiai reakciókat, ami magasabb hozamokhoz, gyorsabb reakciósebességhez, új utakhoz és jobb általános hatékonysághoz vezet.

Az ultrahangos készülékek legfontosabb alkalmazásai akusztikus kavitációval

A szonda típusú ultrahangos készülékek, más néven ultrahangos szondák, hatékonyan generálnak intenzív akusztikus kavitációt folyadékokban. Ezért széles körben használják őket különböző alkalmazásokban a különböző iparágakban. A szonda típusú ultrahangos készülékek által generált akusztikus kavitáció legfontosabb alkalmazásai a következők:
 

1. Homogenizálás: Az ultrahangos szondák intenzív kavitációt generálhatnak, amelyet a rezgés és a nyíróerők energia-sűrű mezőjeként jellemeznek. Ezek az erők kiváló keverést, keverést és részecskeméret-csökkentést biztosítanak. Az ultrahangos homogenizálás egyenletesen kevert szuszpenziókat eredményez. Ezért szonikálást alkalmaznak homogén kolloid szuszpenzió előállítására szűk eloszlási görbékkel.
2. Nanorészecske diszperzió: Ultrasonicators are employed for the dispersion, deagglomeration and wet-milling of nanoparticles. Low-frequency ultrasound waves can generate impactful cavitation, which breaks down agglomerates and reduces particle size. In particular the high shear of the liquid jets accelerates particles in the liquid, which collide with each other (interparticulate collision) so that the particles consequently break and erode. This results in uniform and stable distribution of particles preventing sedimentation. This is crucial in various fields, including nanotechnology, materials science, and pharmaceuticals.
3. Emulgeálás és keverés: A szonda típusú ultrahangos készülékeket emulziók létrehozására és folyadékok keverésére használják. Az ultrahangos energia kavitációt, mikroszkopikus buborékok kialakulását és összeomlását okozza, ami intenzív helyi nyíróerőket generál. Ez az eljárás segíti a nem elegyedő folyadékok emulgeálását, stabil és finoman diszpergált emulziók előállítását.
4. Extrakció: A kavitációs nyíróerők miatt az ultrahangos készülékek rendkívül hatékonyak a sejtszerkezetek megzavarásában és a szilárd és folyadék közötti tömegátadás javításában. Ezért az ultrahangos extrakciót széles körben használják intracelluláris anyagok, például bioaktív vegyületek felszabadítására kiváló minőségű botanikai kivonatok előállításához.
5. Gáztalanítás és légtelenítés: A szonda típusú ultrahangos készülékeket gázbuborékok vagy oldott gázok folyadékokból történő eltávolítására használják. Az ultrahangos kavitáció alkalmazása elősegíti a gázbuborékok összeolvadását, hogy növekedjenek és lebegjenek a folyadék tetejére. Az ultrahangos kavitáció gyors és hatékony eljárássá teszi a gáztalanítást. Ez értékes a különböző iparágakban, például a festékekben, a hidraulikafolyadékokban vagy az élelmiszer- és italgyártásban, ahol a gázok jelenléte negatívan befolyásolhatja a termék minőségét és stabilitását.
6. Sonocatalysis: Az ultrahangos szondák szonokatalízisre használhatók, olyan folyamat, amely ötvözi az akusztikus kavitációt a katalizátorokkal a kémiai reakciók fokozása érdekében. Az ultrahangos hullámok által generált kavitáció javítja a tömegátadást, növeli a reakciósebességet és elősegíti a szabad gyökök termelését, ami hatékonyabb és szelektívebb kémiai átalakulásokhoz vezet.
7. A minta előkészítése: A szonda típusú ultrahangos készülékeket általában laboratóriumokban használják a minta előkészítéséhez. Ezeket biológiai minták, például sejtek, szövetek és vírusok homogenizálására, bontására és kivonására használják. A szonda által generált ultrahangos energia megzavarja a sejtmembránokat, felszabadítja a sejttartalmat és megkönnyíti a további elemzést.
8. Szétesés és sejtzavar: A szonda típusú ultrahangos készülékeket a sejtek és szövetek szétesésére és megzavarására használják különböző célokra, például intracelluláris komponensek kivonására, mikrobiális inaktiválásra vagy minta előkészítésére elemzésre. A nagy intenzitású ultrahangos hullámok és az így generált kavitáció mechanikai feszültséget és nyíróerőket okoz, ami a sejtszerkezetek szétesését eredményezi. A biológiai kutatásban és az orvosi diagnosztikában szonda típusú ultrahangos készülékeket használnak a sejtlízishez, a nyitott sejtek törésének folyamatához, hogy felszabadítsák intracelluláris komponenseiket. Az ultrahangos energia megzavarja a sejtfalakat, membránokat és organellákat, lehetővé téve a fehérjék, DNS, RNS és más sejtösszetevők kivonását.

 
Ezek a szonda típusú ultrahangos készülékek kulcsfontosságú alkalmazásai, de a technológia még szélesebb körű egyéb felhasználásokkal rendelkezik, beleértve a sonochemistry-t, a részecskeméret-csökkentést (nedves marás), az alulról felfelé irányuló részecskeszintézist és a vegyi anyagok és anyagok szono-szintézisét különböző iparágakban, például gyógyszeriparban, élelmiszer-feldolgozásban, biotechnológiában és környezettudományokban.

A képkockák nagy sebességű sorozata (a-tól f-ig), amely illusztrálja a grafitpehely vízben történő szonomechanikus hámlását az UP200S, egy 200 W-os ultrahangos készülék 3 mm-es sonotrode-val. A nyilak a hasító részecskék helyét mutatják a hasításba behatoló kavitációs buborékokkal.
© Tyurnina et al. 2020

Videó az akusztikus kavitációról folyadékban

A következő videó bemutatja az akusztikus kavitációt az UIP1000hdT ultrahangos készülék kaszkatródján vízzel töltött üvegoszlopban. Az üvegoszlopot alulról vörös fény világítja meg a kavitációs buborékok megjelenítésének javítása érdekében.

Az alábbi táblázat az ultrahangos készülékek hozzávetőleges feldolgozási kapacitását jelzi: