Ինչո՞վ են տարբերվում զոնդով և լոգանքով ուլտրաձայնային մշակումները։ Արդյունավետության համեմատություն
Ուլտրաձայնային մշակումը լայնորեն կիրառվում է սննդագիտության, կենսատեխնոլոգիայի և նյութերի ճարտարագիտության ոլորտներում՝ արդյունահանումը, դիսպերսացումը կամ բջիջների քայքայումը բարելավելու համար։ Թեև և՛ զոնդային ուլտրաձայնային սարքերը, և՛ ուլտրաձայնային լոգանքները հիմնված են ակուստիկ կավիտացիայի վրա, դրանց աշխատանքային և կառավարման բնութագրերը կտրուկ տարբերվում են։ Դրանց միջև ընտրությունը մեծապես ազդում է արդյունահանման արդյունավետության, վերարտադրելիության և մասշտաբի մեծացման հնարավորության վրա։
Հիմնվելով հրապարակված աշխատանքների վրա՝ ներառյալ Alaria esculenta և Lemna minor տեսակների կենսազանգվածից արդյունահանման և նանոմասնիկների դիսպերսացման ուսումնասիրությունները՝ այս հոդվածը համեմատում է երկու մեթոդները և ընդգծում, թե ինչու է զոնդային ուլտրաձայնային մշակումը բարդ արդյունահանման խնդիրներում հետևողականորեն գերազանցում լոգանքային համակարգերին։
Զոնդային ուլտրաձայնային սարքերն ուլտրաձայնային լոգանքների նկատմամբ բազմաթիվ առավելություններ ունեն
Զոնդային ուլտրաձայնային սարքեր և ուլտրաձայնային լոգանքներ. աշխատանքի սկզբունքը և էներգիայի փոխանցումը
Զոնդով ուլտրաձայնային մշակում. ուղղակի և բարձր ինտենսիվության կավիտացիա
Զոնդային ուլտրաձայնային սարքերում օգտագործվում է մետաղական եղջյուրաձև ալիքատար (հաճախ՝ տիտանից), որն անմիջապես մտցվում է նմուշի մեջ։ Ծայրակալը ուլտրաձայնը փոխանցում է միջավայրին՝ առաջացնելով խիստ տեղայնացված կավիտացիոն գոտի՝ էներգիայի ծայրահեղ բարձր խտություններով. արդյունաբերական սարքերում հաղորդվել են մինչև 20 000 W/L արժեքներ։ Այս ուղղակի կապակցումն ապահովում է մեխանիկական էներգիայի արդյունավետ փոխանցումը նմուշին՝ առաջացնելով ուժեղ սահքային ուժեր, միկրոշիթեր և հարվածային ալիքներ։
Inguanez և համահեղինակների տվյալները ցույց են տալիս, որ բարձր ամպլիտուդներով (օրինակ՝ 80%) զոնդային ուլտրաձայնային մշակումը զգալիորեն մեծացրել է սպիտակուցի արդյունահանումը թե՛ Alaria esculenta, թե՛ Lemna minor տեսակներից՝ համեմատած լոգանքով մշակման և չմշակված ստուգիչ նմուշների հետ։ Օրինակ՝ 80% ամպլիտուդով 2 րոպե տևողությամբ մշակումների դեպքում ստացվել է ստուգիչ նմուշների համեմատ մինչև 3,87 անգամ ավելի բարձր սպիտակուցային կոնցենտրացիա։
Նման պատկեր է դիտվում նանոմասնիկների դիսպերսացման դեպքում. սոնոտրոդով (զոնդով) ուլտրաձայնային մշակումն ապահովել է ուլտրաձայնային լոգանքների համեմատ 70–150 անգամ ավելի բարձր հզորության խտություններ՝ հնարավոր դարձնելով BaTiO₃ և TiCN նանոմասնիկների ապագլոմերացումը, որին լոգանքներով հնարավոր չէր հասնել։ (Windey և համահեղինակներ, 2023)
Լոգանքով ուլտրաձայնային մշակում. էներգիայի անուղղակի, ցածր ինտենսիվության բաշխում
Ուլտրաձայնային լոգանքներն էներգիան ջրային միջավայրով փոխանցում են նմուշները պարունակող անոթներին։ Սա առաջացնում է զգալի ակուստիկ կորուստներ և էներգիան ցրված կերպով բաշխում ամբողջ տարողությամբ։
Լոգանքային համակարգերը սովորաբար ապահովում են 20–40 W/L՝ զոնդերից մի քանի կարգով պակաս, ինչի հետևանքով առաջանում է թույլ կավիտացիա, որն անբավարար է մատրիցի ուժեղ քայքայման համար։
Կենսազանգվածի ուսումնասիրությունում լոգանքով ուլտրաձայնային մշակումն արդյունավետությամբ հետևողականորեն զիջել է զոնդային համակարգերին՝ պահանջելով ավելի երկար ազդեցություն և, այնուամենայնիվ, ապահովելով արդյունահանման ավելի ցածր ելքեր։
Windey և համահեղինակները նույնպես ցույց են տվել, որ լոգանքով ուլտրաձայնային մշակումը չի կարողացել արդյունավետորեն ապագլոմերացնել TiCN նանոմասնիկները՝ նույնիսկ 2 ժամ անց թողնելով միկրոմետրային չափերի կուտակումներ։
UIP2000hdT՝ 2000 վատտ հզորությամբ ուլտրաձայնային սարք ՝ արդյունաբերական հոսքային մշակման համար նախատեսված հոսքային բջջով
Զոնդի և լոգանքի համեմատություն. արդյունավետությունը և գործընթացի կառավարումը
Հյուսվածքների ավելի արդյունավետ քայքայում և արդյունահանում՝ զոնդով ուլտրաձայնային մշակմամբ
Բարձր ինտենսիվության կավիտացիան զոնդային ուլտրաձայնային սարքերին հնարավորություն է տալիս արագ քայքայել բուսական հյուսվածքը, քանդել բջջապատերը և բարելավել լուծիչի ներթափանցումը։
Inguanez և համահեղինակներն անմիջականորեն համեմատել են զոնդային ուլտրաձայնային սարքերն ու ուլտրաձայնային լոգանքները և պարզել հետևյալը.
Lemna minor տեսակի դեպքում 80% ամպլիտուդով զոնդային ուլտրաձայնային մշակմամբ ստացվել է 1,5–1,8× ավելի շատ սպիտակուց, քան լոգանքով ուլտրաձայնային մշակմամբ։
Ազդեցությունն ուժեղացել է ավելի կարճատև, բայց ավելի ինտենսիվ մշակումների դեպքում՝ ընդգծելով հզորության խտության առավելությունը։
Սա համապատասխանում է նանոմասնիկների դիսպերսացման ժամանակ դիտվող սկզբունքներին. զոնդային համակարգերն առաջացնում են բավարար մեխանիկական ուժ՝ միջմասնիկային ուժեղ ձգողությունը հաղթահարելու համար՝ հասնելով զգալի ապագլոմերացման այնտեղ, որտեղ լոգանքները ձախողվում են։
Զոնդային համակարգերի ճշգրիտ կառավարում
Զոնդային ուլտրաձայնային սարքերը թույլ են տալիս ճշգրիտ կարգավորել՝
- ամպլիտուդը (կառավարում է կավիտացիայի ինտենսիվությունը),
- իմպուլսային ռեժիմը (ջերմային կառավարում),
- ընկղմման խորությունը,
- ժամանակը և ներմուծվող էներգիան։
Այս պարամետրերն անմիջականորեն ազդում են մեխանիկական սահքի և արդյունահանման արդյունքների վրա։
Լոգանքային համակարգերը չունեն կառավարման այս հնարավորությունները։ Նմուշի դիրքը՝ նույնիսկ մի քանի միլիմետր տարբերությամբ, կարող է կտրուկ փոխել կավիտացիայի ազդեցությունը՝ հանգեցնելով ցածր վերարտադրելիության։
Նմուշի ծավալը, նմուշների մշակման արտադրողականությունը և մասշտաբի մեծացման հնարավորությունը
Զոնդով ուլտրաձայնային մշակում
Իդեալական է ցանկացած ծավալի համար. ուլտրաձայնային զոնդերը գերազանց արդյունքներ են ապահովում այնտեղ, որտեղ էներգիայի բարձր խտությունը պետք է կիրառվի որոշակի ռեակցիոն գոտում։ Արդյունաբերական մասշտաբի մեծացումն արդյունավետ և հուսալի կերպով իրականացվում է ավելի մեծ սոնոտրոդներով և անընդհատ աշխատանքի համար հոսքային բջիջների կիրառմամբ։
Զոնդային ուլտրաձայնային մշակմամբ հնարավոր է եղել ամբողջությամբ դիսպերսացնել նանոմասնիկները մոտ 120 J/g (ջերմառեակտիվ պոլիմերներ) և 950 J/mL (ջերմապլաստիկ պոլիմերներ) էներգիայի խտությունների դեպքում՝ մակարդակներ, որոնց լոգանքներով հասնելն անհնար է։ (Windey և համահեղինակներ, 2023)
Լոգանքով ուլտրաձայնային մշակում
Լոգանքները հարմար են քիչ էներգիա պահանջող կիրառությունների համար (օրինակ՝ սրվակների մաքրման կամ լուծիչների գազազերծման), սակայն քանի որ ծավալի մեծացման հետ էներգիան արագ ցրվում է, դրանք՝
- դժվարությամբ են մշակում մածուցիկ կամ խիտ նմուշները,
- առաջացնում են անհամասեռ կավիտացիա,
- չեն ապահովում մասշտաբի արդյունավետ մեծացում փոքր ծավալներից այն կողմ։
Ուստի լոգանքները հազվադեպ են ընտրվում արդյունաբերական հոմոգենացման և արդյունահանման աշխատանքային գործընթացների համար։
UIP6000hdT ուլտրաձայնային սարք ՝ կոսմետիկ էմուլսիաների հոսքային մշակման համար։
Վերարտադրելիությունը և նշանակությունը վերլուծության համար
Զոնդային ուլտրաձայնային սարքերն ապահովում են էներգիայի զգալիորեն ավելի վերարտադրելի փոխանցում՝ հնարավոր դարձնելով հուսալի քանակական արդյունահանումը, որը վճռորոշ է մետաբոլոմիկայի, ֆենոլային միացությունների վերլուծությունների և սպիտակուցի որոշման համար։
Կենսազանգվածի ուսումնասիրությունում զոնդային ուլտրաձայնային սարքով մշակված նմուշները հետևողականորեն ցուցաբերել են՝
- ավելի ցածր դիսպերսիա (RSD),
- արդյունահանման ավելի կանխատեսելի ելքեր,
- ավելի հստակ կոռելյացիաներ ժամանակի/ամպլիտուդի և արդյունահանման արդյունքի միջև։
Լոգանքների կիրառումը հանգեցրել է ավելի բարձր փոփոխականության՝ լրացուցիչ հաստատելով դրանց անհամապատասխանությունը ճշգրտություն պահանջող վերլուծական աշխատանքային գործընթացներին։
1000 վատտ հզորությամբ UIP1000hdT զոնդային ուլտրաձայնային սարք՝ բարձր հզորության զոնդով, խմբաքանակային կամ հոսքային ուլտրաձայնային մշակման համար
Hielscher Ultrasonics ընկերությունն արտադրում է բարձր արտադրողականության ուլտրաձայնային հոմոգենիզատորներ՝ լաբորատոր, փորձնական և արդյունաբերական մասշտաբներով խառնման, դիսպերսացման, էմուլգացման և արդյունահանման համար։
Գրականություն / Հղումներ
- Inguanez, L.; Zhu, X.; de Oliveira Mallia, J.; Tiwari, B.K.; Valdramidis, V.P. (2023): Extractions of Protein-Rich Alaria esculenta and Lemna minor by the Use of High-Power (Assisted) Ultrasound. Sustainability 2023, 15, 8024.
- Windey, Ruben; Ahmadvashaghbash, Sina; Soete, Jeroen; Swolfs, Yentl; Wevers, Martine (2023): Ultrasonication Optimisation and Microstructural Characterisation for 3D Nanoparticle Dispersion in Thermoplastic and Thermosetting Polymers. Composites Part B Engineering 264, 2023.
- Tabtimmuang, Atcharaporn; Prasertsit, Kulchanat; Kungsanant, Suratsawadee; Kaewpradit, Pornsiri; Chetpattananondh, Pakamas (2024): Ultrasonic-assisted synthesis of mono- and diacylglycerols and purification of crude glycerol derived from biodiesel production. Industrial Crops and Products 208, 2024.