MultiPhaseCavitator – Insert MPC48 untuk Sel Alir Ultrasonik

Sisipan MultiPhaseCavitator (Insert MPC48) dirancang untuk meningkatkan pemrosesan ultrasonik campuran cair/cair atau cair/gas. Sebanyak 48 kanula yang sangat halus menginjeksikan cairan atau gas ke dalam fase cair tepat di zona kavitasi. Hal ini menghasilkan tetesan tersuspensi atau gelembung gas yang sangat kecil dengan luas permukaan spesifik yang sangat tinggi.

Sisipan ini sangat berguna untuk kimia emulsi, seperti reaksi transfer fase, katalisis transfer fase (PTC) atau ekstraksi cair-cair. Bidang aplikasi lain yang menarik adalah presipitasi partikel dari dua prekursor cair atau sonokristalisasi. Sisipan ini dirancang untuk reaktor sel alir Hielscher dan memungkinkan pemrosesan secara batch atau kontinu.

Satu dan 48 Port Injeksi

Ultrasonikasi merupakan metode yang efektif untuk emulsifikasi dan pencampuran. Berbeda dengan konfigurasi konvensional, yang menggabungkan fase-fase terpisah sebelum memasuki sel alir dan zona kavitasi, sisipan sel alir ini meningkatkan penggabungan kedua fase tersebut. Ketika cairan diinjeksikan melalui 48 kanula halus, cairan tersebut memasuki sel alir dalam bentuk aliran yang sangat tipis. Sisipan ini menggunakan 48 kanula medis yang sangat halus dengan diameter dalam dari 0,3mm hingga 1,2mm. Kanula ini mudah diganti dan merupakan bahan habis pakai berbiaya rendah (steril, sekitar 2ct/pc). Kavitasi ultrasonik (pada 20kHz) memecah 48 aliran cairan yang masuk menjadi tetesan kecil saat memasuki fase cair di dalam sel alir.
Desain ini menerapkan tekanan umpan yang sama dari satu sumber pasokan ke seluruh 48 kanula untuk menyamakan aliran antarkanula.

48 port masuk ke reaktor ultrasonik untuk reaksi cair-cair

Kegunaan dan Aplikasi

Reaktor ultrasonik Hielscher sering digunakan untuk mengemulsikan, meningkatkan kinetika proses transfer fase, atau meningkatkan laju pelarutan dalam sistem fase cair-cair. Contoh proses tersebut adalah desulfurisasi oksidatif dengan hidrogen peroksida yang dilanjutkan dengan ekstraksi pelarut, atau transesterifikasi trigliserida yang dikatalisis basa.
Kelarutan yang terbatas dari satu fase reagen dalam fase reagen lainnya merupakan masalah signifikan dalam proses kimia emulsi karena kedua fase hanya bereaksi satu sama lain pada antarmuka. Tanpa ultrasonik, hal ini menghasilkan laju reaksi yang rendah dan kinetika konversi yang lambat dalam sistem dua fase.
Dengan menggunakan sisipan bersama reaktor ultrasonik, kavitasi menghasilkan gaya geser hidraulik yang tinggi dan memecah fase yang diinjeksikan menjadi tetesan berukuran submikron dan nano. Karena luas permukaan spesifik batas fase memengaruhi laju reaksi kimia, pengurangan diameter tetesan yang signifikan ini meningkatkan kinetika reaksi dan dapat mengurangi atau menghilangkan kebutuhan akan agen transfer fase. Persentase volume fase yang diinjeksikan dapat diturunkan karena emulsi yang lebih halus memerlukan volume lebih sedikit untuk menyediakan luas permukaan kontak yang sama dengan fase reagen lainnya.
Penggunaan sisipan ini dapat menurunkan jumlah katalis emulsi amfifilik yang diperlukan atau katalis transfer fase (PTC), seperti garam amonium kuarterner dengan kemampuan uniknya untuk larut dalam cairan berair maupun organik.

Peningkatan Transfer Massa untuk Reaksi Kimia

Ketika dua fase reagen bereaksi pada batas fase, produk reaksi terakumulasi di permukaan tetesan dan menghalangi interaksi fase-fase reagen pada antarmuka. Gaya geser hidraulik yang ditimbulkan oleh kavitasi ultrasonik menghasilkan aliran turbulen dan perpindahan material dari dan ke permukaan tetesan, serta menyebabkan koalesensi berulang yang diikuti pembentukan tetesan baru. Seiring berlangsungnya reaksi, sonikasi memaksimalkan paparan dan interaksi reagen.
Efek ini digunakan dalam banyak proses, seperti transesterifikasi minyak nabati menjadi biodiesel atau sintesis poliester melalui transesterifikasi diester dengan diol untuk membentuk makromolekul.

Pengemulsian / Emulsifikasi

Sisipan sel alir ini meningkatkan emulsifikasi saat mencampur cairan yang tidak saling bercampur. Hal ini menghasilkan ukuran tetesan yang lebih kecil dan distribusi ukuran yang lebih sempit – faktor utama bagi stabilitas emulsi. Dengan desain ini, Anda dapat menginjeksikan dan mengemulsikan cairan berviskositas rendah dan sedang bahkan ke dalam cairan berviskositas tinggi, seperti minyak bakar berat (HFO), polimer, atau gel. Beberapa formulasi mungkin memerlukan penambahan pengemulsi atau penstabil. Dalam hal ini, sisipan membantu mencampurkan pengemulsi secara merata. Desain khusus untuk injeksi lebih dari satu fase melalui kanula tersedia berdasarkan permintaan.

Ekstraksi Cair-Cair

Sisipan ini meningkatkan proses ekstraksi cair-cair dengan menghasilkan emulsi turbulen bertetesan halus, misalnya fase pelarut dalam fase minyak. Hal ini juga meningkatkan luas permukaan kontak antarfase dan menghasilkan ekstraksi yang lebih baik serta mengurangi penggunaan pelarut.

Bahan Bakar Beremulsi Air untuk Pembakaran yang Lebih Bersih

Minyak bakar bermutu rendah, seperti minyak bakar berat yang digunakan pada kapal laut atau untuk pembangkitan listrik, dapat diemulsikan dengan air. Hal ini menghasilkan pembakaran yang lebih efisien serta pengurangan signifikan emisi NO_x dan jelaga.
Baca selengkapnya tentang emulsifikasi ultrasonik bahan bakar beremulsi air (bahan bakar emulsi)!

Presipitasi / Sonokristalisasi

Pigmen atau nanopartikel dapat dihasilkan secara bottom-up melalui presipitasi dalam cairan. Dalam hal ini, campuran lewat jenuh mulai membentuk partikel padat atau kristal dari material berkonsentrasi tinggi. Partikel ini akan tumbuh hingga titik tertentu dan akhirnya mengendap. Untuk mengendalikan ukuran dan morfologi partikel/kristal, pengendalian pencampuran prekursor/reagen sangat penting.
Secara umum, proses presipitasi melibatkan: pencampuran, kondisi lewat jenuh, nukleasi, pertumbuhan partikel, dan aglomerasi. Aglomerasi dihindari dengan konsentrasi padatan yang rendah atau dengan agen penstabil. Pencampuran sangat menentukan karena pada sebagian besar proses presipitasi, laju reaksinya sangat tinggi. InsertMPC48 menggabungkan semburan injeksi yang tipis dan cepat dengan gaya geser kavitasi ultrasonik yang kuat. Hal ini memaksimalkan kecepatan dan kinerja pencampuran, sehingga menghasilkan partikel yang lebih banyak dan lebih kecil.

Dari Pengujian Laboratorium hingga Skala Pilot dan Produksi

Hielscher Ultrasonics menawarkan peralatan untuk menguji, memverifikasi, dan memanfaatkan teknologi ini pada skala apa pun. Konsep ini mudah diintegrasikan ke dalam proses yang sudah ada.

1. Masukkan fase A ke port masuk cairan di bagian bawah sel alir
2. Masukkan fase B ke port masuk cairan yang lebih kecil di sisi sel alir. Umpan ini akan diinjeksikan ke area kavitasi melalui 48 pipa halus
3. Sesuaikan tekanan reaktor menggunakan katup tekanan balik pada port keluar sel alir

Pada skala meja laboratorium, sonikator UIP1000hdT 1kW dapat memproses laju alir dari 100 hingga 1000L/hr (25 hingga 250 gal/hr) untuk demonstrasi proses dan optimalisasi parameter sonikasi. Prosesor ultrasonik Hielscher dirancang untuk peningkatan skala secara linear ke volume pemrosesan yang lebih besar pada skala pilot atau produksi. Tabel di bawah mencantumkan volume pemrosesan dan ukuran peralatan yang direkomendasikan.