Ultrahangos kavitáció folyadékokban
Az ultrahangos kavitáció a nagy intenzitású ultrahangos folyadékfeldolgozás hajtóereje. Amikor nagy teljesítményű ultrahangot csatolnak be egy folyadékba, mikroszkopikus gőzbuborékok képződnek, növekednek, majd hevesen összeomlanak. Ez az akusztikus kavitáció intenzív helyi nyíróerőket, mikrosugarakat, lökéshullámokat, nyomásváltozásokat és mikrokeverési hatásokat hoz létre, amelyek felgyorsíthatják a homogenizálást, a diszpergálást, az emulgeálást, az extrakciót, a gáztalanítást, a sejtfeltárást és a szonokémiai reakciókat.
A Hielscher szondás ultrahangos készülékei szabályozott akusztikus kavitációval juttatják az ultrahangos energiát közvetlenül a folyadékokba, szuszpenziókba és zagyokba. A kis laboratóriumi mintáktól a folyamatos ipari átfolyásos termelésig a Hielscher rendszerei lehetővé teszik az amplitúdó, a szonotróda geometriája, a nyomás, a hőmérséklet, a térfogatáram és a tartózkodási idő beállítását a reprodukálható kavitációs eredmények érdekében.
- Laboratóriumok számára: dolgozza ki és optimalizálja az ultrahangos kezelés paramétereit kis térfogatokban.
- Kísérleti üzemek számára: validálja a kavitáció által vezérelt folyamatokat valósághű feldolgozási körülmények között.
- Termeléshez: növelje az ultrahangos kavitáció léptékét szakaszos, recirkulációs vagy folyamatos, gyártósorba épített folyamatokhoz.
Adja meg a folyadékot, a sarzs térfogatát vagy a térfogatáramot, a viszkozitást, a szilárdanyag-tartalmat, a hőmérsékleti határértékeket és az elérni kívánt feldolgozási eredményt. Javaslatot teszünk a kavitációs alkalmazásához optimális ultrahangos készülékre, szonotródára és átfolyó cella-konfigurációra.
A szondás ultrahangos készülékek, például az UP400St, az akusztikus kavitáció működési elvét alkalmazzák.
Az ultrahangos kavitáció működési elve
A folyadékok nagy intenzitású ultrahangos kezelésekor a folyékony közegben terjedő hanghullámok váltakozó nagy nyomású (kompressziós) és kis nyomású (ritkulási) ciklusokat hoznak létre, amelyek ismétlődési üteme a frekvenciától függ. A kis nyomású ciklus során a nagy intenzitású ultrahanghullámok kis vákuumbuborékokat vagy üregeket hoznak létre a folyadékban. Amikor a buborékok elérnek egy olyan térfogatot, amelynél már nem képesek több energiát elnyelni, egy nagy nyomású ciklus során hevesen összeomlanak. Ezt a jelenséget kavitációnak nevezik. A befelé történő összeomlás során helyileg nagyon magas hőmérséklet (kb. 5 000K) és nyomás (kb. 2 000atm) alakul ki. A kavitációs buborék befelé történő összeomlása akár 280m/s sebességű folyadéksugarakat is létrehoz.
A nagy teljesítményű ultrahang által létrehozott akusztikus kavitáció helyileg szélsőséges körülményeket, úgynevezett szonomechanikai és szonokémiai hatásokat hoz létre. E hatások révén az ultrahangos kezelés elősegíti a kémiai reakciókat, ami nagyobb hozamokhoz, gyorsabb reakciókhoz, új reakcióutakhoz és jobb összhatékonysághoz vezet.
Szondás ultrahangos készülék vagy ultrahangos fürdő: melyik kavitációs módszer a megfelelő?
A szondás ultrahangos készülékek és az ultrahangos fürdők egyaránt akusztikus kavitációt hoznak létre, de jelentősen különböznek az intenzitás, a szabályozhatóság és a folyamat megbízhatósága tekintetében. Míg az ultrahangos fürdők hasznosak a tisztításhoz, a szondás ultrahangos készülékek közvetlenül a folyadékba csatolják be az ultrahangos energiát, és sokkal erősebb, koncentrált kavitációs zónát hoznak létre. Ezért a szondás ultrahangos készülékek az előnyben részesített választás olyan reprodukálható folyadékfeldolgozási alkalmazásokhoz, mint a homogenizálás, az emulgeálás, az extrakció, a sejtfeltárás, a nanorészecskék diszpergálása és a szonokémiai reakciók.
| Összehasonlítási szempontok | Szondás ultrahangos készülék | Ultrahangos fürdő |
|---|---|---|
| Kavitációs intenzitás | Nagy intenzitású akusztikus kavitációt hoz létre közvetlenül a szonotróda csúcsánál. | Gyengébb kavitációt hoz létre, amely a fürdő teljes térfogatában oszlik el. |
| Energiaátadás | Az ultrahangos energiát közvetlenül a folyadékba, szuszpenzióba vagy zagyba juttatja. | Az energiát közvetetten, a fürdő folyadékán és az edény falán keresztül adja át. |
| Folyamatszabályozás | Lehetővé teszi az amplitúdó, a bevitt teljesítmény, az impulzusüzemmód, a hőmérséklet és a feldolgozási idő pontos beállítását. | Korlátozott szabályozást tesz lehetővé a mintát ténylegesen elérő ultrahangos energia felett. |
| Reprodukálhatóság | Reprodukálható ultrahangos kezelési eredményeket biztosít, ha a folyamatparamétereket meghatározzák és nyomon követik. | Az eredmények eltérhetnek a kavitáció egyenetlen eloszlása, az edény helyzete és anyaga, a töltési szint, valamint a fürdő terhelése miatt. |
| Feldolgozási hatékonyság | Rendkívül hatékony homogenizáláshoz, diszpergáláshoz, emulgeáláshoz, extrakcióhoz, sejtfeltáráshoz és szonokémiai alkalmazásokhoz. | Főként tisztításra alkalmas. |
| Mintatérfogat | Kis laboratóriumi mintákhoz, valamint kísérleti üzemi és ipari térfogatokhoz is rendelkezésre áll. | Jellemzően kis edényekhez vagy a fürdőbe helyezett több tartályhoz használják. |
| Léptéknövelés | A laboratóriumi vizsgálatoktól a kísérleti üzemi próbákig és a folyamatos, gyártósorba épített ipari feldolgozásig növelhető a léptéke. | Megbízható léptéknövelése nehéz, mert az energiaeloszlás és a kavitációs intenzitás nem vihető át könnyen más léptékre. |
| Alkalmas közegek | Hatékony folyadékok, emulziók, szuszpenziók, zagyok és nagy szilárdanyag-tartalmú készítmények esetén. | Leginkább kis viszkozitású folyadékokhoz és egyszerű tisztítási vagy gáztalanítási feladatokhoz alkalmas. |
| Jellemző alkalmazások | Nanorészecskék diszpergálása, nanoemulziók, extrakció, sejtlízis, homogenizálás, deagglomerálás, nedves őrlés és szonokémiai reakciók. | Üvegeszközök tisztítása, folyadékok gáztalanítása, porok feloldása és minták enyhe mozgatása. |
| A legjobb választás ehhez: | Szabályozott, nagy teljesítményű és reprodukálható ultrahangos folyadékfeldolgozás. | Egyszerű tisztítás vagy kis intenzitású ultrahangos kezelés. |
Az ultrahangos készülékek és az akusztikus kavitáció fő alkalmazásai
A szondás ultrahangos készülékek, más néven ultrahangos szondák, hatékonyan hoznak létre intenzív akusztikus kavitációt folyadékokban. Ezért különféle iparágak számos alkalmazásában széles körben használják őket. A szondás ultrahangos készülékek által létrehozott akusztikus kavitáció legfontosabb alkalmazásai közé tartoznak a következők:
- Homogenizálás: Az ultrahangos szondák intenzív kavitációt hozhatnak létre, amely nagy energiasűrűségű rezgési és nyíróerőtérként jellemezhető. Ezek az erők kiváló keverést, elegyítést és részecskeméret-csökkentést biztosítanak. Az ultrahangos homogenizálás egyenletesen elkevert szuszpenziókat hoz létre. Ezért az ultrahangos kezelést szűk eloszlási görbékkel jellemezhető homogén kolloid szuszpenziók előállítására használják.
- Nanorészecskék diszpergálása: Az ultrahangos készülékeket nanorészecskék diszpergálására, deagglomerálására és nedves őrlésére alkalmazzák. Az alacsony frekvenciájú ultrahanghullámok erőteljes kavitációt hozhatnak létre, amely szétbontja az agglomerátumokat és csökkenti a részecskeméretet. Különösen a folyadéksugarak erős nyíróhatása gyorsítja fel a folyadékban lévő részecskéket, amelyek egymással ütköznek (részecskék közötti ütközés), és ennek következtében töredeznek és erodálódnak. Ez a részecskék egyenletes és stabil eloszlását eredményezi, megakadályozva az ülepedést. Ez kulcsfontosságú számos területen, köztük a nanotechnológiában, az anyagtudományban és a gyógyszeriparban.
- Emulgeálás és keverés: A szondás ultrahangos készülékeket emulziók létrehozására és folyadékok keverésére használják. Az ultrahangos energia kavitációt, azaz mikroszkopikus buborékok képződését és összeomlását idézi elő, ami intenzív helyi nyíróerőket hoz létre. Ez a folyamat segíti az egymással nem elegyedő folyadékok emulgeálását, stabil és finoman diszpergált emulziókat eredményezve.
- Extrakció: A kavitációs nyíróerőknek köszönhetően az ultrahangos készülékek rendkívül hatékonyak a sejtszerkezetek feltárásában és a szilárd, illetve folyékony fázis közötti anyagátadás javításában. Ezért az ultrahangos extrakciót széles körben használják sejten belüli anyagok, például bioaktív vegyületek felszabadítására, kiváló minőségű növényi kivonatok előállításához.
- Gáztalanítás és légtelenítés: A szondás ultrahangos készülékeket gázbuborékok vagy oldott gázok folyadékokból történő eltávolítására alkalmazzák. Az ultrahangos kavitáció alkalmazása elősegíti a gázbuborékok összeolvadását, így azok növekednek és a folyadék felszínére emelkednek. Az ultrahangos kavitáció gyors és hatékony eljárássá teszi a gáztalanítást. Ez számos iparágban értékes, például a festékek és hidraulikafolyadékok esetében, valamint az élelmiszer- és italfeldolgozásban, ahol a gázok jelenléte kedvezőtlenül befolyásolhatja a termék minőségét és stabilitását.
- Szonokatalízis: Az ultrahangos szondák szonokatalízisre is használhatók, amely az akusztikus kavitációt katalizátorokkal kombinálja a kémiai reakciók elősegítése érdekében. Az ultrahanghullámok által létrehozott kavitáció javítja az anyagátadást, növeli a reakciósebességet és elősegíti a szabad gyökök képződését, ami hatékonyabb és szelektívebb kémiai átalakulásokhoz vezet.
- Minta-előkészítés: A szondás ultrahangos készülékeket gyakran használják laboratóriumokban minta-előkészítésre. Biológiai minták, például sejtek, szövetek és vírusok homogenizálására, dezaggregálására és extrakciójára használják őket. A szonda által keltett ultrahangos energia feltárja a sejtmembránokat, felszabadítva a sejttartalmat és megkönnyítve a további elemzést.
- Dezintegrálás és sejtfeltárás: A szondás ultrahangos készülékeket sejtek és szövetek dezintegrálására és feltárására alkalmazzák különféle célokból, például sejten belüli összetevők extrakciójához, mikroorganizmusok inaktiválásához vagy elemzést megelőző minta-előkészítéshez. A nagy intenzitású ultrahanghullámok és az általuk létrehozott kavitáció mechanikai igénybevételt és nyíróerőket okoznak, ami a sejtszerkezetek szétesését eredményezi. A biológiai kutatásban és az orvosi diagnosztikában a szondás ultrahangos készülékeket sejtlízisre használják, vagyis a sejtek felnyitására, hogy felszabadítsák sejten belüli összetevőiket. Az ultrahangos energia feltárja a sejtfalakat, a membránokat és a sejtorganellumokat, lehetővé téve a fehérjék, a DNS, az RNS és más sejtalkotók extrakcióját.
Ezek a szondás ultrahangos készülékek fő alkalmazásai közül néhányat mutatnak be, de a technológiának még szélesebb körű további felhasználási lehetőségei vannak, köztük a szonokémia, a részecskeméret-csökkentés (nedves őrlés), az alulról felfelé építkező részecskeszintézis, valamint a vegyi anyagok és különféle anyagok ultrahangos szintézise olyan iparágakban, mint a gyógyszeripar, az élelmiszer-feldolgozás, a biotechnológia és a környezettudományok.
Nagy sebességű képsorozat (a-tól f-ig), amely egy grafitpehely vízben történő szonomechanikai réteglefejtését szemlélteti az UP200S, egy 3-mm-es szonotródával ellátott 200W-os ultrahangos készülék használatával. A nyilak a részecskék szétválásának helyét mutatják, ahol kavitációs buborékok hatolnak be a résbe.
© Tyurnina et al. 2020
Használja ki az ultrahangos kavitáció előnyeit!
Az alábbi táblázat tájékoztatást ad ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitásáról:
| Sarzs térfogata | Térfogatáram | Ajánlott készülékek |
|---|---|---|
| 1–500mL | 10–200mL/min | UP100H |
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1–20L | 0,2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10–100L/min | UIP16000 |
| n.a. | nagyobb | készülékcsoport az alábbi típusból: UIP16000 |
Videó a folyadékban kialakuló akusztikus kavitációról
A következő videó az UIP1000hdT ultrahangos készülék cascatrode-jánál kialakuló akusztikus kavitációt mutatja be egy vízzel töltött üvegoszlopban. Az üvegoszlopot alulról vörös fénnyel világítják meg, hogy a kavitációs buborékok jobban láthatók legyenek.
A Hielscher Ultrasonics nagy teljesítményű ultrahangos homogenizátorokat gyárt keverési alkalmazásokhoz, diszpergáláshoz, emulgeáláshoz és extrakcióhoz laboratóriumi, kísérleti üzemi és ipari léptékben.
Gyakran ismételt kérdések
Mi az ultrahangos kavitáció?
Az ultrahangos kavitáció mikroszkopikus buborékok képződése, növekedése és heves összeomlása egy nagy intenzitású ultrahangnak kitett folyadékban. E buborékok összeomlása intenzív helyi nyíróhatást, folyadék-mikrosugarakat, lökéshullámokat, nagy nyomásgradienseket és erős mikrokeverési hatásokat hoz létre.
Mi a különbség az ultrahangos kavitáció és az akusztikus kavitáció között?
Az akusztikus kavitáció a hanghullámok által okozott kavitáció általános megnevezése. Az ultrahangos kavitáció ultrahangfrekvenciák által létrehozott akusztikus kavitáció, jellemzően a hallható tartomány felett. Az ipari folyadékfeldolgozásban mindkét kifejezést gyakran használják a nagy teljesítményű ultrahangos készülékek által létrehozott kavitációra.
Hogyan javítja az ultrahangos kavitáció a folyadékfeldolgozást?
Az ultrahangos kavitáció intenzív mechanikai és kémiai hatásokat hoz létre a folyadék belsejében, és ezzel javítja a folyadékfeldolgozást. A mechanikai hatások elősegítik a keverést, a homogenizálást, az emulgeálást, a részecskék deagglomerálását, a nedves őrlést, az extrakciót és a sejtfeltárást. Reaktív rendszerekben a kavitáció szonokémiai hatásokat is elősegíthet, és javíthatja az anyagátadást.
Mely alkalmazásokban használják az ultrahangos kavitációt?
Az ultrahangos kavitációt homogenizálásra, diszpergálásra, emulgeálásra, nanoemulgeálásra, extrakcióra, gáztalanításra, deagglomerálásra, részecskeméret-csökkentésre, sejtlízisre, mikroorganizmusok feltárására, szonokémiai és szonokatalitikus alkalmazásokra, valamint fejlett folyadékfázisú reakciókhoz használják.
Miért hatékonyak a szondás ultrahangos készülékek a kavitáció létrehozásában?
A szondás ultrahangos készülékek egy szonotródán keresztül közvetlenül a folyadékba juttatják az ultrahangos energiát. Ez a közvetlen energiabecsatolás intenzív kavitációs zónát hoz létre a szonda felülete közelében, és lehetővé teszi olyan fontos folyamatparaméterek pontos beállítását, mint az amplitúdó, a bevitt teljesítmény, a hőmérséklet, a nyomás és a feldolgozási idő.
Alkalmas-e az ultrahangos fürdő erős kavitáció létrehozására?
Az ultrahangos fürdők kavitációt hoznak létre, de az energiasűrűség általában sokkal kisebb és kevésbé koncentrált, mint egy szondás ultrahangos készülék esetében. A fürdők hasznosak tisztításhoz és enyhe kezeléshez, míg a szondás ultrahangos készülékeket részesítik előnyben a reprodukálható homogenizáláshoz, extrakcióhoz, emulgeáláshoz, diszpergáláshoz, sejtfeltáráshoz és ipari folyadékfeldolgozáshoz.
Olvassa el és nézze meg, miben különböznek a szondás ultrahangos készülékek és az ultrahangos fürdők!
Mely paraméterek befolyásolják az ultrahangos kavitáció intenzitását?
A fontos paraméterek közé tartozik az amplitúdó, az ultrahangos teljesítmény, a szonotróda felületének nagysága, a folyadéktérfogat, a viszkozitás, a szilárdanyag-tartalom, a nyomás, a hőmérséklet, az edény geometriája, az átfolyó cella geometriája, a térfogatáram és a tartózkodási idő. E paraméterek beállításával a kavitációs intenzitás a folyamat céljához igazítható.
Növelhető-e az ultrahangos kavitáció léptéke a laboratóriumtól a termelésig?
Igen. Az ultrahangos kavitációs folyamatok laboratóriumi térfogatokban dolgozhatók ki, és az amplitúdó, a bevitt energia, a szonotróda geometriája, a térfogatáram és a tartózkodási idő szabályozásával kísérleti üzemi vagy ipari léptékre vihetők át. A Hielscher ultrahangos készülékeket és reaktorokat kínál laboratóriumi vizsgálatokhoz, kísérleti üzemi próbákhoz és folyamatos ipari termeléshez.
Szakirodalom / Hivatkozások
- 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.
A Hielscher Ultrasonics nagy teljesítményű ultrahangos homogenizátorokat gyárt a laboratóriumi mérettől egészen az ipari méretig.