Reaktor Tangki Berpengaduk Kontinu dengan Agitasi Ultrasonik

Reaktor tangki berpengaduk kontinu (CSTR) banyak digunakan untuk berbagai reaksi kimia, termasuk katalisis, kimia emulsi, polimerisasi, sintesis, ekstraksi, dan kristalisasi. Kinetika reaksi yang lambat merupakan masalah umum pada CSTR, yang dapat dengan mudah diatasi melalui penerapan sonikasi berdaya tinggi. Pencampuran dan agitasi yang intens serta efek sonokimia dari ultrasonik berdaya tinggi mempercepat kinetika reaksi dan meningkatkan tingkat konversi secara signifikan. Sonikator dapat dengan mudah diintegrasikan ke dalam CSTR dengan volume berapa pun.

Mengapa Menerapkan Ultrasonik Berdaya Tinggi pada Reaktor Tangki Berpengaduk Kontinu?

Reaktor tangki berpengaduk kontinu (CSTR, atau cukup disebut reaktor tangki berpengaduk (STR)) memiliki karakteristik utama yang cukup mirip dengan reaktor batch. Perbedaan utamanya adalah bahwa pada konfigurasi reaktor tangki berpengaduk kontinu (CSTR), bahan harus dialirkan secara kontinu ke dalam dan keluar dari reaktor. Pengumpanan reaktor dapat dilakukan melalui aliran gravitasi atau aliran sirkulasi paksa menggunakan pompa. CSTR terkadang disebut reaktor alir dengan pencampuran balik (BMR).
CSTR umumnya digunakan ketika diperlukan agitasi dua cairan atau lebih. CSTR dapat digunakan sebagai reaktor tunggal atau dipasang dalam konfigurasi seri untuk aliran dengan konsentrasi berbeda dan tahapan reaksi yang berbeda. Selain penggunaan reaktor tangki tunggal, pemasangan beberapa tangki secara seri (satu setelah yang lain) atau konfigurasi kaskade juga umum digunakan.
Mengapa Sonikasi? Pencampuran dan agitasi ultrasonik serta efek sonokimia dari ultrasonik berdaya tinggi telah dikenal luas berkontribusi terhadap efisiensi reaksi kimia. Peningkatan pencampuran dan pengurangan ukuran partikel akibat getaran ultrasonik dan kavitasi menghasilkan kinetika yang jauh lebih cepat dan tingkat konversi yang lebih tinggi. Efek sonokimia dapat menyediakan energi yang diperlukan untuk memulai reaksi kimia, mengubah jalur reaksi kimia, dan menghasilkan rendemen yang lebih tinggi berkat reaksi yang lebih tuntas.

CSTR yang diintensifkan secara ultrasonik dapat digunakan untuk aplikasi seperti:

• Reaksi heterogen cair–cair
• Reaksi heterogen padat–cair
• Reaksi homogen fase cair
• Reaksi heterogen gas–cair
• Reaksi heterogen gas–padat–cair

Sonikasi sebagai Sistem Sintesis Kimia Berkecepatan Tinggi

Kimia sintesis berkecepatan tinggi merupakan teknik reaksi baru yang digunakan untuk memulai dan mengintensifkan sintesis kimia. Dibandingkan dengan jalur reaksi konvensional, yang memerlukan beberapa jam atau hari dalam kondisi refluks, reaktor sintesis berbantuan ultrasonik dapat mempersingkat durasi reaksi menjadi beberapa menit sehingga reaksi sintesis berlangsung jauh lebih cepat. Intensifikasi sintesis ultrasonik didasarkan pada prinsip kerja kavitasi akustik dan gaya-gaya yang terkait dengannya, termasuk pemanasan berlebih yang terbatas secara lokal. Pelajari lebih lanjut tentang ultrasonik, kavitasi akustik, dan sonokimia pada bagian berikutnya.

Kavitasi Ultrasonik dan Efek Sonokimianya

Kavitasi ultrasonik (atau akustik) terjadi ketika ultrasonik berdaya tinggi dikopel ke dalam cairan atau slurry. Kavitasi adalah transisi dari fase cair ke fase uap, yang terjadi akibat penurunan tekanan hingga mencapai tekanan uap fluida.
Kavitasi ultrasonik menghasilkan gaya geser yang sangat tinggi dan semburan cairan dengan kecepatan hingga 1000m/s. Semburan cairan ini mempercepat partikel dan menyebabkan tumbukan antarpartikel sehingga mengurangi ukuran partikel padatan dan tetesan. Selain itu – secara lokal di dalam dan di sekitar gelembung kavitasi yang mengalami implosi – terbentuk tekanan yang sangat tinggi pada orde ratusan atmosfer dan suhu pada orde ribuan derajat Kelvin.
Meskipun sonikasi merupakan metode pemrosesan yang sepenuhnya mekanis, metode ini dapat menghasilkan kenaikan suhu ekstrem yang terbatas secara lokal. Hal ini disebabkan oleh gaya-gaya intens yang dihasilkan di dalam dan di sekitar gelembung kavitasi yang runtuh, tempat suhu beberapa ribu derajat Celsius dapat dengan mudah tercapai. Dalam keseluruhan larutan, kenaikan suhu akibat implosi satu gelembung hampir dapat diabaikan, tetapi disipasi panas dari banyak gelembung kavitasi, sebagaimana diamati pada titik panas kavitasi (yang dihasilkan melalui sonikasi dengan ultrasonik berdaya tinggi), pada akhirnya dapat menyebabkan kenaikan suhu keseluruhan larutan yang terukur. Keunggulan sonikasi dan sonokimia terletak pada efek suhu yang dapat dikendalikan selama pemrosesan: pengendalian suhu keseluruhan larutan dapat dicapai dengan menggunakan tangki berjaket pendingin serta sonikasi berpulsa. Sonikator canggih dari Hielscher Ultrasonics dapat menghentikan sementara ultrasonik ketika batas suhu atas tercapai dan melanjutkan sonikasi segera setelah nilai bawah dari ∆T yang ditetapkan tercapai. Hal ini sangat penting ketika reaktan yang peka terhadap panas digunakan.

Sonokimia Meningkatkan Kinetika Reaksi

Karena sonikasi menghasilkan getaran intens dan kavitasi, kinetika kimia turut terpengaruh. Kinetika suatu sistem kimia berkorelasi erat dengan ekspansi dan implosi gelembung kavitasi, sehingga secara signifikan memengaruhi dinamika gerak gelembung. Gas terlarut dalam larutan reaksi kimia memengaruhi karakteristik reaksi sonokimia melalui efek termal maupun efek kimia. Efek termal memengaruhi suhu puncak yang tercapai selama keruntuhan gelembung di dalam rongga kavitasi; efek kimia mengubah pengaruh gas yang terlibat langsung dalam reaksi.
Reaksi heterogen dan homogen dengan kinetika reaksi yang lambat, termasuk reaksi penggandengan Suzuki, presipitasi, kristalisasi, dan kimia emulsi, sangat sesuai untuk dimulai dan didorong melalui ultrasonik berdaya tinggi beserta efek sonokimianya.
Sebagai contoh, untuk sintesis asam ferulat, sonikasi frekuensi rendah (20kHz) pada daya 180 W menghasilkan rendemen asam ferulat sebesar 94% pada 60°C dalam 3 h. Hasil dari Truong et al. (2018) ini menunjukkan bahwa penggunaan frekuensi rendah (tipe horn dan iradiasi berdaya tinggi) meningkatkan tingkat konversi secara signifikan, dengan rendemen lebih dari 90%.

Kimia Emulsi yang Diintensifkan secara Ultrasonik

Reaksi heterogen seperti kimia emulsi memperoleh manfaat yang signifikan dari penerapan ultrasonik berdaya tinggi. Kavitasi ultrasonik memperkecil dan mendistribusikan tetesan setiap fase secara homogen di dalam fase lainnya sehingga membentuk emulsi submikron atau nanoemulsi. Karena tetesan berukuran nano menyediakan luas permukaan yang jauh lebih besar untuk berinteraksi dengan tetesan lain, perpindahan massa dan laju reaksi meningkat secara signifikan. Dengan sonikasi, reaksi yang biasanya dikenal memiliki kinetika lambat menunjukkan peningkatan tingkat konversi yang drastis, rendemen yang lebih tinggi, lebih sedikit produk samping atau limbah, serta efisiensi keseluruhan yang lebih baik. Kimia emulsi yang ditingkatkan secara ultrasonik sering diterapkan untuk polimerisasi emulsi, misalnya untuk menghasilkan campuran polimer, perekat berbasis air, dan polimer khusus.

10 Hal yang Perlu Anda Ketahui Sebelum Membeli Reaktor Kimia

Ketika Anda memilih reaktor kimia untuk suatu proses kimia, ada banyak faktor yang memengaruhi desain reaktor kimia yang optimal. Jika proses kimia Anda melibatkan reaksi kimia heterogen multifase dan memiliki kinetika reaksi yang lambat, agitasi reaktor dan aktivasi proses merupakan faktor penentu yang penting bagi keberhasilan konversi kimia dan biaya (operasional) reaktor kimia yang ekonomis.
Sonikasi secara signifikan meningkatkan kinetika reaksi kimia cair–cair dan cair–padat dalam reaktor kimia batch dan bejana reaksi inline. Oleh karena itu, integrasi probe ultrasonik dalam reaktor kimia dapat mengurangi biaya reaktor serta meningkatkan efisiensi keseluruhan dan kualitas produk akhir.
Bidang rekayasa reaktor kimia sangat sering kekurangan pengetahuan tentang peningkatan proses berbantuan ultrasonik. Tanpa pengetahuan mendalam tentang pengaruh ultrasonik berdaya tinggi, agitasi ultrasonik, kavitasi akustik, dan efek sonokimia terhadap kinerja reaktor kimia, analisis reaktor kimia dan dasar-dasar desain konvensional hanya dapat menghasilkan hasil yang kurang baik. Di bawah ini, Anda akan memperoleh gambaran mengenai manfaat mendasar ultrasonik untuk desain dan optimalisasi reaktor kimia.

Keunggulan Reaktor Tangki Berpengaduk Kontinu (CSTR) yang Diintensifkan secara Ultrasonik

• • Reaktor yang ditingkatkan secara ultrasonik untuk laboratorium dan produksi:
    Peningkatan skala yang mudah: Prosesor ultrasonik tersedia untuk skala laboratorium, percontohan, dan produksi skala besar
    Hasil yang dapat direproduksi / diulang berkat parameter ultrasonik yang dapat dikendalikan secara presisi
    Kapasitas dan kecepatan reaksi: reaksi yang diintensifkan secara ultrasonik berlangsung lebih cepat sehingga lebih ekonomis (biaya lebih rendah)
  • Sonokimia dapat diterapkan untuk keperluan umum maupun khusus

– kemampuan adaptasi dan keserbagunaan, misalnya pilihan pemasangan dan konfigurasi yang fleksibel serta penggunaan lintas disiplin

• Sonikasi dapat digunakan di lingkungan eksplosif
  – pembilasan gas (misalnya penyelimutan nitrogen)
  – tidak ada permukaan terbuka
• Pembersihan sederhana: pembersihan mandiri (CIP – pembersihan di tempat)
• Pilih bahan konstruksi yang Anda inginkan
  – kaca, baja tahan karat, titanium
  – tanpa seal putar
  – beragam pilihan bahan penyegel
• Sonikator dapat digunakan dalam rentang suhu yang luas
• Sonikator dapat digunakan dalam rentang tekanan yang luas
• Efek sinergis dengan teknologi lain, misalnya elektrokimia (sonoelektrokimia), katalisis (sonokatalisis), kristalisasi (sonokristalisasi), dan sebagainya.
• Sonikasi ideal untuk meningkatkan kinerja bioreaktor, misalnya pada fermentasi.
• Pelarutan / Melarutkan: Dalam proses pelarutan, partikel berpindah dari satu fase ke fase lainnya, misalnya ketika partikel padat larut dalam cairan. Diketahui bahwa tingkat agitasi memengaruhi kecepatan proses. Banyak kristal kecil larut jauh lebih cepat di bawah kavitasi ultrasonik dibandingkan satu kristal dalam reaktor batch yang diaduk secara konvensional. Dalam hal ini pun, perbedaan kecepatan disebabkan oleh perbedaan laju perpindahan massa pada permukaan partikel. Sebagai contoh, sonikasi berhasil diterapkan untuk menghasilkan larutan lewat jenuh, misalnya dalam proses kristalisasi (sonokristalisasi).
• Ekstraksi Kimia Berbantuan Ultrasonik:
  – Cair–Padat, misalnya ekstraksi botani, ekstraksi kimia
  – Cair–Cair: Ketika ultrasonik diterapkan pada sistem ekstraksi cair–cair, terbentuk emulsi salah satu fase di dalam fase lainnya. Pembentukan emulsi ini meningkatkan luas antarmuka antara kedua fase yang tidak saling bercampur, sehingga meningkatkan fluks perpindahan massa antarfase.

Bagaimana Sonikasi Meningkatkan Reaksi Kimia dalam Reaktor Tangki Berpengaduk?

• Luas Permukaan Kontak yang Lebih Besar: Dalam reaksi antara reaktan dalam fase heterogen, hanya partikel yang saling bertumbukan pada antarmuka yang dapat bereaksi. Semakin luas antarmuka, semakin banyak tumbukan yang dapat terjadi. Ketika bagian cair atau padat suatu zat dipecah menjadi tetesan atau partikel padat yang lebih kecil dan tersuspensi dalam cairan fase kontinu, luas permukaan zat tersebut meningkat. Selain itu, akibat pengurangan ukuran, jumlah partikel meningkat sehingga jarak rata-rata antarpartikel berkurang. Hal ini meningkatkan kontak fase kontinu dengan fase terdispersi. Oleh karena itu, laju reaksi meningkat seiring dengan tingkat fragmentasi fase terdispersi. Banyak reaksi kimia dalam dispersi atau emulsi menunjukkan peningkatan kecepatan reaksi yang drastis akibat pengurangan ukuran partikel secara ultrasonik.
• Katalisis (Energi Aktivasi): Katalis sangat penting dalam banyak reaksi kimia, dalam pengembangan di laboratorium, dan dalam produksi industri. Katalis sering berada dalam fase padat atau cair dan tidak dapat bercampur dengan salah satu atau seluruh reaktan. Oleh karena itu, katalisis lebih sering merupakan reaksi kimia heterogen. Dalam produksi bahan kimia dasar yang paling penting seperti asam sulfat, amonia, asam nitrat, etena, dan metanol, katalis memainkan peran penting. Banyak bidang teknologi lingkungan didasarkan pada proses katalitik. Tumbukan partikel menghasilkan reaksi kimia, yaitu penyusunan ulang atom, hanya jika partikel bertumbukan dengan energi kinetik yang cukup. Sonikasi merupakan sarana yang sangat efisien untuk meningkatkan kinetika dalam reaktor kimia. Dalam proses katalisis heterogen, penambahan ultrasonik pada desain reaktor kimia dapat mengurangi kebutuhan katalis. Hal ini dapat memungkinkan penggunaan katalis dalam jumlah lebih sedikit atau katalis dengan mutu lebih rendah dan tingkat kemuliaan yang lebih rendah.
• Frekuensi Kontak yang Lebih Tinggi / Peningkatan Perpindahan Massa: Pencampuran dan agitasi ultrasonik merupakan metode yang sangat efektif untuk menghasilkan tetesan dan partikel sangat kecil (yaitu partikel submikron dan nanopartikel), yang menyediakan luas permukaan aktif lebih besar untuk reaksi. Dengan tambahan agitasi intens dan gerakan mikro yang disebabkan oleh ultrasonik berdaya tinggi, frekuensi kontak antarpartikel meningkat drastis sehingga tingkat konversi meningkat secara signifikan.
• Plasma terkompresi: Pada banyak reaksi, kenaikan suhu reaktor sebesar 10 Kelvin menyebabkan laju reaksi meningkat kira-kira dua kali lipat. Kavitasi ultrasonik menghasilkan titik panas lokal yang sangat reaktif dengan suhu hingga 5000K di dalam cairan, tanpa memanaskan keseluruhan volume cairan dalam reaktor kimia secara substansial.
• Energi termal: Setiap energi ultrasonik yang Anda tambahkan pada desain reaktor kimia pada akhirnya akan diubah menjadi energi termal. Oleh karena itu, Anda dapat menggunakan kembali energi tersebut untuk proses kimia. Alih-alih memasukkan energi termal melalui elemen pemanas atau uap, sonikasi memasukkan energi mekanis yang mengaktifkan proses melalui getaran berfrekuensi tinggi. Dalam reaktor kimia, hal ini menghasilkan kavitasi ultrasonik yang mengaktifkan proses kimia pada berbagai tingkat. Pada akhirnya, gaya geser ultrasonik yang sangat besar pada bahan kimia menghasilkan konversi menjadi energi termal, yaitu panas. Anda dapat menggunakan reaktor batch berjaket atau reaktor inline untuk pendinginan guna mempertahankan suhu proses yang konstan bagi reaksi kimia Anda.

Sonikator Berkinerja Tinggi untuk Meningkatkan Reaksi Kimia dalam CSTR

Hielscher Ultrasonics merancang, memproduksi, dan mendistribusikan homogenizer ultrasonik serta disperser berkinerja tinggi untuk diintegrasikan ke dalam reaktor tangki berpengaduk kontinu (CSTR). Sonikator Hielscher digunakan di seluruh dunia untuk mendorong, mengintensifkan, mempercepat, dan meningkatkan reaksi kimia.
Prosesor ultrasonik Hielscher Ultrasonics tersedia dalam berbagai ukuran, mulai dari perangkat laboratorium kecil hingga prosesor industri besar untuk aplikasi kimia alir. Pengaturan amplitudo ultrasonik secara presisi (yang merupakan parameter terpenting) memungkinkan sonikator Hielscher dioperasikan pada amplitudo rendah hingga sangat tinggi dan amplitudonya disesuaikan secara tepat dengan kondisi proses ultrasonik yang diperlukan oleh sistem reaksi kimia tertentu.
Generator ultrasonik Hielscher dilengkapi perangkat lunak cerdas dengan pencatatan data otomatis. Semua parameter pemrosesan penting seperti energi ultrasonik, suhu, tekanan, dan waktu secara otomatis disimpan pada kartu SD bawaan segera setelah perangkat dinyalakan.
Pemantauan proses dan pencatatan data penting untuk standardisasi proses yang berkelanjutan dan kualitas produk. Dengan mengakses data proses yang dicatat secara otomatis, Anda dapat meninjau proses sonikasi sebelumnya dan mengevaluasi hasilnya.
Fitur lain yang ramah pengguna adalah kendali jarak jauh melalui peramban pada sistem ultrasonik digital kami. Melalui kendali jarak jauh berbasis peramban, Anda dapat memulai, menghentikan, mengatur, dan memantau prosesor ultrasonik Anda dari mana saja.
Hubungi kami sekarang untuk mengetahui lebih lanjut bagaimana homogenizer ultrasonik berkinerja tinggi kami dapat meningkatkan kinerja reaktor tangki berpengaduk kontinu (CSTR) Anda!
Tabel di bawah ini memberikan gambaran perkiraan kapasitas pemrosesan sonikator kami: