Penerapan Ultrasound Berdaya Tinggi menggunakan Horn Ultrasonik

Horn atau probe ultrasonik digunakan secara luas untuk berbagai aplikasi pemrosesan cairan, termasuk homogenisasi, dispersi, penggilingan basah, emulsifikasi, ekstraksi, disintegrasi, pelarutan, dan deaerasi. Pelajari dasar-dasar horn ultrasonik, probe ultrasonik, dan aplikasinya.

Horn Ultrasonik vs Probe Ultrasonik

Istilah horn ultrasonik dan probe ultrasonik sering digunakan secara bergantian dan merujuk pada batang ultrasonik yang mentransmisikan gelombang ultrasound ke dalam cairan. Istilah lain yang digunakan untuk probe ultrasonik adalah horn akustik, sonotrode, pemandu gelombang akustik, atau jari ultrasonik. Namun, secara teknis terdapat perbedaan antara horn ultrasonik dan probe ultrasonik.
Baik horn maupun probe merujuk pada bagian dari alat yang disebut ultrasonikator tipe probe. Horn ultrasonik adalah bagian logam dari transduser ultrasonik yang dieksitasi oleh getaran yang dihasilkan secara piezoelektrik. Horn ultrasonik bergetar pada frekuensi tertentu, misalnya 20kHz, yang berarti 20.000 getaran per detik. Titanium merupakan bahan pilihan untuk pembuatan horn ultrasonik karena sifat transmisi akustiknya yang sangat baik, ketahanan lelahnya yang tinggi, dan kekerasan permukaannya.

Probe ultrasonik juga disebut sonotrode atau jari ultrasonik. Probe ini berupa batang logam, paling sering terbuat dari titanium, dan disambungkan dengan ulir ke horn ultrasonik. Probe ultrasonik merupakan bagian penting dari prosesor ultrasonik yang mentransmisikan gelombang ultrasound ke dalam medium yang disonikasi. Probe ultrasonik / sonotrode tersedia dalam berbagai bentuk (misalnya berbentuk kerucut, berujung, meruncing, atau sebagai Cascatrode). Meskipun titanium merupakan bahan yang paling umum digunakan untuk probe ultrasonik, tersedia pula sonotrode yang terbuat dari baja tahan karat, keramik, kaca, dan bahan lainnya.

Karena horn dan probe ultrasonik terus-menerus mengalami kompresi atau tarikan selama sonikasi, pemilihan bahan horn dan probe sangat penting. Paduan titanium berkualitas tinggi (grade 5) dianggap sebagai logam yang paling andal, tahan lama, dan efektif untuk menahan tegangan, mempertahankan amplitudo tinggi dalam jangka waktu lama, serta mentransmisikan sifat akustik dan mekanis.

Pelarutan merupakan aplikasi umum sonikasi. Video ini menunjukkan pelarutan kristal gula secara cepat dalam air menggunakan Hielscher UP200St.

Ultrasonikator berkinerja tinggi umumnya bekerja dalam rentang frekuensi 20–30kHz. Pada 20 kHz, probe ultrasonik biasanya berupa batang resonan dengan panjang setengah panjang gelombang, yang terus-menerus memuai dan menyusut 20.000 kali per detik. Gerakan pemuaian dan penyusutan ini ditransmisikan sebagai ultrasound berdaya tinggi ke dalam medium proses, yaitu fluida atau bubur, untuk menjalankan aplikasi seperti

• pencampuran ultrasonik dengan gaya geser tinggi
• penggilingan basah ultrasonik
• dispersi nanopartikel secara ultrasonik
• nanoemulsifikasi ultrasonik
• ekstraksi ultrasonik
• disintegrasi ultrasonik
• disrupsi dan lisis sel secara ultrasonik
• penghilangan gas dan deaerasi secara ultrasonik
• sonokimia (sonosintesis, sonokatalisis)

Bagaimana Ultrasound Berdaya Tinggi Bekerja? – Prinsip Kerja Kavitasi Akustik

Untuk aplikasi ultrasonik berkinerja tinggi seperti homogenisasi, pengecilan ukuran partikel, disintegrasi, atau nanodispersi, ultrasound berintensitas tinggi dan berfrekuensi rendah dihasilkan oleh transduser ultrasound dan ditransmisikan melalui horn dan probe ultrasonik (sonotrode) ke dalam cairan. Ultrasound berdaya tinggi dianggap sebagai ultrasound dalam rentang 16–30kHz. Probe ultrasound memuai dan menyusut, misalnya pada 20kHz, sehingga mentransmisikan 20.000 getaran per detik ke dalam medium. Ketika gelombang ultrasonik merambat melalui cairan, siklus tekanan tinggi (kompresi) / tekanan rendah (rarefaksi / ekspansi) yang bergantian menciptakan rongga sangat kecil (gelembung vakum), yang tumbuh selama beberapa siklus tekanan. Selama fase kompresi cairan dan gelembung, tekanannya positif, sedangkan fase rarefaksi menghasilkan vakum (tekanan negatif). Selama siklus kompresi–ekspansi, rongga dalam cairan tumbuh hingga mencapai ukuran yang membuatnya tidak dapat lagi menyerap energi. Pada titik ini, rongga tersebut mengalami implosi dahsyat. Implosi rongga tersebut menghasilkan berbagai efek berenergi sangat tinggi, yang dikenal sebagai fenomena kavitasi akustik / ultrasonik. Kavitasi akustik dicirikan oleh berbagai efek berenergi sangat tinggi yang memengaruhi cairan, sistem padat/cair, serta sistem gas/cair. Zona dengan kepadatan energi tinggi atau zona kavitasi dikenal sebagai zona titik panas, yang memiliki kepadatan energi tertinggi di dekat probe ultrasonik dan menurun seiring bertambahnya jarak dari sonotrode. Karakteristik utama kavitasi ultrasonik mencakup suhu dan tekanan sangat tinggi yang terjadi secara lokal beserta perbedaan suhu dan tekanannya, turbulensi, dan aliran cairan. Selama implosi rongga ultrasonik di titik panas ultrasonik, dapat diukur suhu hingga 5000 Kelvin, tekanan hingga 200 atmosfer, dan pancaran cairan dengan kecepatan hingga 1000km/h. Kondisi luar biasa dengan intensitas energi tinggi ini berkontribusi pada efek sonomekanis dan sonokimia yang mengintensifkan proses dan reaksi kimia dengan berbagai cara.
Dampak utama ultrasonikasi pada cairan dan bubur adalah sebagai berikut:

• Gaya geser tinggi: Gaya geser tinggi ultrasonik mendisrupsi cairan dan sistem cair–padat, sehingga menghasilkan agitasi, homogenisasi, dan perpindahan massa yang intens.
• Benturan: Pancaran dan aliran cairan yang dihasilkan oleh kavitasi ultrasonik mempercepat gerakan padatan dalam cairan, yang selanjutnya menyebabkan tumbukan antarpartikel. Ketika partikel bertumbukan pada kecepatan sangat tinggi, partikel tersebut terkikis, pecah, serta tergiling dan terdispersi secara halus, sering kali hingga ukuran nano. Untuk materi biologis seperti bahan tumbuhan, pancaran cairan berkecepatan tinggi dan siklus tekanan yang bergantian mendisrupsi dinding sel dan melepaskan materi intraseluler. Hal ini menghasilkan ekstraksi senyawa bioaktif yang sangat efisien dan pencampuran materi biologis secara homogen.
• Agitasi: Ultrasonikasi menyebabkan turbulensi, gaya geser, dan gerakan mikro yang intens dalam cairan atau bubur. Dengan demikian, sonikasi selalu mengintensifkan perpindahan massa sehingga mempercepat reaksi dan proses.

Homogenizer ultrasonik dan pencampur dengan gaya geser tinggi digunakan di hampir semua industri pemrosesan yang menangani cairan atau bubur. Gaya kavitasi ultrasonik yang kuat menghasilkan agitasi, geser, pemecahan partikel, dan perpindahan massa yang intens. Dengan demikian, cairan dihomogenisasi, didispersikan, diemulsikan, diekstraksi, dilarutkan, dan/atau reaksi kimia dimulai. Secara keseluruhan, ultrasonikasi merupakan metode intensifikasi proses yang meningkatkan hasil, meningkatkan tingkat konversi, dan membuat proses lebih efisien.
Aplikasi ultrasonik yang umum dalam industri tersebar di berbagai cabang pangan & farmasi, kimia halus, energi & petrokimia, daur ulang, biorefinery, dan sebagainya, serta mencakup hal-hal berikut:

• sintesis biodiesel secara ultrasonik
• homogenisasi jus buah secara ultrasonik
• produksi vaksin secara ultrasonik
• daur ulang baterai Li-ion secara ultrasonik
• sintesis nanomaterial secara ultrasonik
• formulasi sediaan farmasi secara ultrasonik
• nanoemulsifikasi CBD secara ultrasonik
• ekstraksi bahan botani secara ultrasonik
• preparasi sampel secara ultrasonik di laboratorium
• penghilangan gas dari cairan secara ultrasonik
• desulfurisasi minyak mentah secara ultrasonik
• dan masih banyak lagi …

Horn dan Probe Ultrasonik untuk Aplikasi Berkinerja Tinggi

Hielscher Ultrasonics adalah produsen dan distributor ultrasonikator berdaya tinggi dengan pengalaman panjang, yang produknya digunakan di seluruh dunia untuk aplikasi tugas berat di berbagai industri.
Dengan prosesor ultrasonik dalam berbagai ukuran mulai dari 50 watt hingga 16kW per perangkat, probe dalam berbagai ukuran dan bentuk, serta reaktor ultrasonik dengan beragam volume dan geometri, Hielscher Ultrasonics memiliki peralatan yang tepat untuk mengonfigurasi sistem ultrasonik yang ideal bagi aplikasi Anda.
Tabel di bawah ini memberikan gambaran perkiraan kapasitas pemrosesan ultrasonikator kami: