Pemrosesan Ultrasonik untuk Cairan, Sluri, dan Reaksi Kimia

Ultrasonikasi adalah metode pemrosesan mekanis yang menghasilkan kavitasi akustik dan gaya fisik yang sangat kuat. Oleh karena itu, teknologi ultrasonik digunakan untuk berbagai aplikasi seperti pencampuran, homogenisasi, penggilingan, dispersi, emulsifikasi, ekstraksi, penghilangan gas, dan reaksi sonokimia.

Temukan aplikasi Anda pada tabel di bawah, klik tautannya, dan langsung menuju proses yang Anda minati! Pelajari bagaimana sonikasi meningkatkan proses dan efisiensinya.

Homogenisasi Ultrasonik

Homogenizer ultrasonik memperkecil ukuran partikel kecil dalam cairan untuk meningkatkan keseragaman dan stabilitas dispersi. Partikel tersebut (fase terdispersi) dapat berupa padatan atau tetesan cairan yang tersuspensi dalam fase cair. Homogenisasi ultrasonik sangat efisien untuk memperkecil ukuran partikel lunak maupun keras. Hielscher memproduksi ultrasonikator untuk homogenisasi cairan dengan volume berapa pun serta untuk pemrosesan batch atau inline. Perangkat ultrasonik laboratorium dapat digunakan untuk volume mulai dari 1,5mL hingga sekitar 4L. Perangkat ultrasonik industri dapat memproses batch mulai dari 0,5 hingga sekitar 2000L atau laju alir mulai dari 0,1L hingga 20 meter kubik per jam dalam pengembangan proses dan produksi komersial.
Temukan keunggulan homogenisasi ultrasonik!

Pendispersian dan Deaglomerasi Ultrasonik

Dispersi dan deaglomerasi padatan dalam cairan merupakan aplikasi penting ultrasonikator tipe probe. Kavitasi ultrasonik / akustik menghasilkan gaya geser tinggi yang memecah aglomerat partikel menjadi partikel individual yang terdispersi secara terpisah. Pencampuran bubuk ke dalam cairan merupakan langkah umum dalam formulasi berbagai produk, seperti cat, pernis, produk kosmetik, makanan dan minuman, atau media pemoles. Partikel individual saling terikat oleh gaya tarik yang memiliki berbagai sifat fisik dan kimia, termasuk gaya van der Waals dan tegangan permukaan cairan. Ultrasonikasi mengatasi gaya tarik ini untuk mendeaglomerasi dan mendispersikan partikel dalam media cair. Untuk pendispersian dan deaglomerasi bubuk dalam cairan, ultrasonikasi berintensitas tinggi merupakan alternatif menarik bagi homogenizer bertekanan tinggi, pencampur bergaya geser tinggi, penggiling manik, atau pencampur rotor-stator.
Dapatkan informasi mendalam tentang pendispersian dan deaglomerasi ultrasonik!

Emulsifikasi Ultrasonik

Berbagai macam produk antara dan produk konsumen, seperti kosmetik dan losion kulit, salep farmasi, pernis, cat, pelumas, serta bahan bakar, seluruhnya atau sebagian berbasis emulsi. Emulsi merupakan dispersi dua atau lebih fase cair yang tidak saling bercampur. Ultrasonik berintensitas sangat tinggi memberikan gaya geser yang cukup kuat untuk mendispersikan suatu fase cair (fase terdispersi) menjadi tetesan kecil dalam fase kedua (fase kontinu). Di zona pendispersian, gelembung kavitasi yang mengalami implosi menimbulkan gelombang kejut kuat dalam cairan di sekitarnya dan menghasilkan semburan cairan berkecepatan tinggi (geser tinggi). Ultrasonikasi dapat disesuaikan secara presisi dengan ukuran emulsi yang ditargetkan, sehingga memungkinkan produksi mikroemulsi dan nanoemulsi yang andal.
Klik di sini untuk membaca lebih lanjut tentang emulsifikasi ultrasonik!

Penggilingan Basah dan Penghalusan Ultrasonik

Ultrasonikasi merupakan cara yang efisien untuk penggilingan basah dan penghalusan mikro partikel. Ultrasonik memiliki banyak keunggulan, khususnya untuk pembuatan sluri dengan ukuran partikel sangat halus. Teknologi ini lebih unggul daripada peralatan pengecil ukuran konvensional, seperti penggiling koloid (misalnya penggiling bola, penggiling manik), penggiling cakram, atau penggiling jet. Ultrasonikasi dapat memproses sluri berkonsentrasi tinggi dan berviskositas tinggi – sehingga mengurangi volume yang harus diproses. Tentu saja, penggilingan ultrasonik sesuai untuk memproses bahan berukuran mikron dan nano, seperti keramik, pigmen, barium sulfat, kalsium karbonat, atau oksida logam. Khususnya untuk bahan nano, ultrasonikasi menunjukkan kinerja unggul karena gaya gesernya yang sangat kuat menghasilkan nanopartikel kecil yang seragam.
Baca lebih lanjut tentang penggilingan basah dan penghalusan mikro ultrasonik!

TiO2 yang dikeringkan dengan pengeringan semprot sebelum dan sesudah penggilingan ultrasonik

Disintegrasi dan Lisis Sel Ultrasonik

Perlakuan ultrasonik dapat mendisintegrasikan bahan berserat yang mengandung selulosa menjadi partikel halus dan memecah dinding struktur sel. Hal ini melepaskan lebih banyak bahan intraseluler, seperti pati atau gula, ke dalam cairan. Efek ini dapat digunakan untuk fermentasi, pencernaan, dan proses konversi bahan organik lainnya. Setelah penggilingan dan penghalusan, ultrasonikasi membuat lebih banyak bahan intraseluler, misalnya pati, serta serpihan dinding sel dapat diakses oleh enzim yang mengubah pati menjadi gula. Ultrasonikasi juga meningkatkan luas permukaan yang terpapar enzim selama likuefaksi atau sakarifikasi. Hal ini biasanya meningkatkan kecepatan dan hasil fermentasi ragi serta proses konversi lainnya, misalnya untuk meningkatkan produksi etanol dari biomassa.
Baca lebih lanjut tentang disintegrasi struktur sel secara ultrasonik!

Ekstraksi Bahan Botani secara Ultrasonik

Ekstraksi senyawa bioaktif yang tersimpan dalam sel dan partikel subseluler merupakan aplikasi ultrasonik berintensitas tinggi yang banyak digunakan. Ekstraksi ultrasonik digunakan untuk mengisolasi metabolit sekunder (misalnya polifenol), polisakarida, protein, minyak atsiri, dan bahan aktif lainnya dari matriks seluler tumbuhan dan fungi. Sonikasi sesuai untuk ekstraksi senyawa organik menggunakan air maupun pelarut, dan meningkatkan hasil ekstrak bahan botani yang terkandung dalam tumbuhan atau biji secara signifikan. Ekstraksi ultrasonik digunakan untuk produksi sediaan farmasi, nutraseutikal / suplemen nutrisi, bahan pewangi, dan aditif biologis. Ultrasonik merupakan teknik ekstraksi ramah lingkungan yang juga digunakan untuk ekstraksi komponen bioaktif di kilang hayati, misalnya untuk melepaskan senyawa berharga dari aliran produk samping yang belum dimanfaatkan yang terbentuk dalam proses industri. Ultrasonikasi merupakan teknologi yang sangat efektif untuk ekstraksi bahan botani pada skala laboratorium dan produksi.
Jelajahi keunggulan ekstraksi ultrasonik!

Aplikasi Sonokimia dengan Ultrasonik

Sonokimia adalah penerapan ultrasonik pada reaksi dan proses kimia. Mekanisme yang menimbulkan efek sonokimia dalam cairan adalah fenomena kavitasi akustik. Efek sonokimia pada reaksi dan proses kimia meliputi peningkatan kecepatan atau hasil reaksi, penggunaan energi yang lebih efisien, peningkatan kinerja katalis transfer fase, aktivasi logam dan padatan, atau peningkatan reaktivitas reagen maupun katalis.
Jelajahi efek sonokimia dari ultrasonik!

Transesterifikasi Ultrasonik Minyak (Limbah) menjadi Biodiesel

Ultrasonikasi meningkatkan kecepatan reaksi kimia dan hasil transesterifikasi minyak nabati serta lemak hewani menjadi biodiesel. Hal ini memungkinkan peralihan produksi dari pemrosesan batch ke pemrosesan aliran kontinu serta mengurangi biaya investasi dan operasional. Salah satu keunggulan utama produksi biodiesel ultrasonik adalah penggunaan minyak limbah seperti minyak jelantah dan sumber minyak berkualitas rendah lainnya. Transesterifikasi ultrasonik dapat mengubah bahkan bahan baku berkualitas rendah menjadi biodiesel berkualitas tinggi (metil ester asam lemak / FAME). Pembuatan biodiesel dari minyak nabati atau lemak hewani melibatkan transesterifikasi asam lemak berkatalis basa dengan metanol atau etanol untuk menghasilkan metil ester atau etil ester yang bersesuaian. Ultrasonikasi dapat mencapai hasil biodiesel lebih dari 99%. Ultrasonik mengurangi waktu pemrosesan dan waktu pemisahan secara signifikan.
Klik di sini untuk membaca lebih lanjut tentang transesterifikasi minyak menjadi biodiesel dengan bantuan ultrasonik!

Penghilangan Gas, Deaerasi, dan Penghilangan Busa pada Cairan secara Ultrasonik

Penghilangan gas dari cairan merupakan aplikasi penting lainnya dari ultrasonikator tipe probe. Getaran ultrasonik dan kavitasi menyebabkan koalesensi gas terlarut dalam cairan. Ketika gelembung gas yang sangat kecil bergabung, terbentuk gelembung yang lebih besar yang dengan cepat mengapung ke permukaan cairan, tempat gelembung tersebut dapat dihilangkan. Dengan demikian, penghilangan gas dan deaerasi ultrasonik dapat menurunkan kadar gas terlarut hingga di bawah tingkat kesetimbangan alami.
Klik di sini untuk membaca lebih lanjut tentang penghilangan gas dari cairan secara ultrasonik!

Pembersihan Kawat, Kabel, dan Strip secara Ultrasonik

Pembersihan ultrasonik merupakan alternatif ramah lingkungan untuk membersihkan bahan kontinu, seperti kawat dan kabel, pita, atau tabung. Efek kavitasi ultrasonik yang kuat menghilangkan residu pelumas seperti minyak atau gemuk, sabun, stearat, atau debu dari permukaan bahan. Hielscher Ultrasonics menawarkan berbagai sistem ultrasonik untuk pembersihan profil kontinu secara inline.
Klik di sini untuk informasi lebih lanjut tentang pembersihan profil kontinu secara ultrasonik!

Apa yang Menjadikan Sonikasi Metode Pemrosesan yang Unggul?

Sonikasi, atau penggunaan gelombang suara berfrekuensi tinggi untuk mengagitasi cairan, merupakan metode pemrosesan yang efisien karena berbagai alasan. Berikut beberapa alasan mengapa sonikasi berintensitas tinggi dan berfrekuensi rendah sekitar 20kHz sangat efektif dan menguntungkan untuk pemrosesan cairan dan sluri:

1. Kavitasi: Salah satu mekanisme utama sonikasi adalah pembentukan dan keruntuhan gelembung kecil, suatu fenomena yang disebut kavitasi. Pada 20kHz, gelombang suara berada pada frekuensi yang tepat untuk membentuk dan meruntuhkan gelembung secara efisien. Keruntuhan gelembung ini menghasilkan gelombang kejut berenergi tinggi, yang dapat memecah partikel dan menyebabkan disrupsi sel dalam cairan yang disonikasi.
2. Osilasi dan getaran: Selain kavitasi akustik yang dihasilkan, osilasi probe ultrasonik menciptakan agitasi dan pencampuran tambahan dalam cairan, sehingga mendorong perpindahan massa dan/atau penghilangan gas.
3. Penetrasi: Gelombang suara pada 20kHz memiliki panjang gelombang yang relatif panjang, sehingga dapat menembus jauh ke dalam cairan. Kavitasi ultrasonik merupakan fenomena lokal yang terjadi di sekitar probe ultrasonik. Seiring bertambahnya jarak dari probe, intensitas kavitasi menurun. Namun, sonikasi pada 20kHz dapat secara efisien mengolah volume cairan yang lebih besar dibandingkan sonikasi berfrekuensi lebih tinggi, yang memiliki panjang gelombang lebih pendek dan kedalaman penetrasi yang mungkin lebih terbatas.
4. Konsumsi energi rendah: Sonikasi dapat dilakukan dengan konsumsi energi yang relatif rendah dibandingkan metode pemrosesan lainnya, seperti homogenisasi bertekanan tinggi atau pengadukan mekanis. Hal ini menjadikannya metode pemrosesan cairan yang lebih hemat energi dan biaya.
5. Skalabilitas linear: Proses ultrasonik dapat diskalakan sepenuhnya secara linear ke volume yang lebih besar atau lebih kecil. Hal ini membuat penyesuaian proses dalam produksi dapat diandalkan karena kualitas produk dapat terus dipertahankan tetap stabil.
6. Batch dan aliran inline: Ultrasonikasi dapat dilakukan sebagai proses batch atau proses inline kontinu. Untuk sonikasi batch, probe ultrasonik dimasukkan ke dalam bejana terbuka atau reaktor batch tertutup. Untuk sonikasi aliran kontinu, sel alir ultrasonik dipasang. Media cair melewati sonotrode (batang yang bergetar secara ultrasonik) dalam satu lintasan atau melalui resirkulasi dan terpapar gelombang ultrasonik secara sangat seragam dan efisien.

Secara keseluruhan, gaya kavitasi yang kuat, konsumsi energi yang rendah, dan skalabilitas proses menjadikan sonikasi berfrekuensi rendah dan berdaya tinggi sebagai metode yang efisien untuk memproses cairan.

Prinsip Kerja dan Penggunaan Pemrosesan Ultrasonik

Ultrasonikasi merupakan teknologi pemrosesan komersial yang telah diterapkan oleh berbagai industri untuk produksi skala besar. Keandalan dan skalabilitas yang tinggi, serta biaya perawatan yang rendah dan efisiensi energi yang tinggi, menjadikan prosesor ultrasonik alternatif yang baik bagi peralatan pemrosesan cairan konvensional. Ultrasonik menawarkan peluang tambahan yang menarik: kavitasi – efek dasar ultrasonik – menghasilkan hasil yang unik dalam proses biologis, kimia, dan fisik. Misalnya, dispersi dan emulsifikasi ultrasonik dengan mudah menghasilkan formulasi berukuran nano yang stabil. Dalam bidang ekstraksi bahan botani, ultrasonik juga merupakan teknik nontermal untuk mengisolasi senyawa bioaktif.

Pencampuran ultrasonik didasarkan pada kavitasi akustik dan gaya geser hidrodinamiknya.

Sementara ultrasonik berintensitas rendah atau berfrekuensi tinggi terutama digunakan untuk analisis, pengujian nondestruktif, dan pencitraan, ultrasonik berintensitas tinggi digunakan untuk pemrosesan cairan dan pasta, dengan gelombang ultrasonik kuat yang digunakan untuk pencampuran, emulsifikasi, pendispersian dan deaglomerasi, disintegrasi sel, atau deaktivasi enzim. Ketika cairan disonikasi pada intensitas tinggi, gelombang suara merambat melalui media cair. Hal ini menghasilkan siklus tekanan tinggi (kompresi) dan tekanan rendah (rarefaksi) yang bergantian, dengan laju yang bergantung pada frekuensi. Selama siklus tekanan rendah, gelombang ultrasonik berintensitas tinggi membentuk gelembung vakum atau rongga kecil dalam cairan. Ketika gelembung mencapai volume yang membuatnya tidak lagi dapat menyerap energi, gelembung tersebut runtuh dengan hebat selama siklus tekanan tinggi. Fenomena ini disebut kavitasi. Selama implosi, suhu sangat tinggi (sekitar 5.000K) dan tekanan sangat tinggi (sekitar 2.000atm) tercapai secara lokal. Implosi gelembung kavitasi juga menghasilkan semburan cairan dengan kecepatan hingga 280 meter per detik.

Kavitasi ultrasonik dalam cairan dapat menyebabkan penghilangan gas yang cepat dan menyeluruh; memulai berbagai reaksi kimia dengan menghasilkan ion kimia bebas (radikal); mempercepat reaksi kimia dengan memfasilitasi pencampuran reaktan; meningkatkan reaksi polimerisasi dan depolimerisasi dengan mendispersikan agregat atau memutus ikatan kimia dalam rantai polimer secara permanen; meningkatkan laju emulsifikasi; meningkatkan laju difusi; menghasilkan emulsi berkonsentrasi tinggi atau dispersi seragam dari bahan berukuran mikron atau nano; membantu ekstraksi zat seperti enzim dari sel hewan, tumbuhan, ragi, atau bakteri; menghilangkan virus dari jaringan yang terinfeksi; dan akhirnya, mengikis serta memecah partikel yang rentan, termasuk mikroorganisme. (cf. Kuldiloke 2002)

Ultrasonik berintensitas tinggi menghasilkan agitasi hebat dalam cairan berviskositas rendah, yang dapat digunakan untuk mendispersikan bahan dalam cairan. (cf. Ensminger, 1988) Pada antarmuka cair/padat atau gas/padat, implosi asimetris gelembung kavitasi dapat menyebabkan turbulensi ekstrem yang menipiskan lapisan batas difusi, meningkatkan perpindahan massa secara konveksi, dan sangat mempercepat difusi dalam sistem yang tidak memungkinkan pencampuran biasa. (cf. Nyborg, 1965)

Literatur

• Seyed Mohammad Mohsen Modarres-Gheisari, Roghayeh Gavagsaz-Ghoachani, Massoud Malaki, Pedram Safarpour, Majid Zandi (2019): Ultrasonic nano-emulsification – A review. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 52, 2019. 88-105.
• 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.
• Petigny L., Périno-Issartier S., Wajsman J., Chemat F. (2013): Batch and Continuous Ultrasound Assisted Extraction of Boldo Leaves (Peumus boldus Mol.). International Journal of Molecular Science 14, 2013. 5750-5764.
• Ensminger, D. E. (1988): Acoustic and electroacoustic methods of dewatering and drying, in: Drying Tech. 6, 473 (1988).
• Kuldiloke, J. (2002): Effect of Ultrasound, Temperature and Pressure Treatments on Enzyme Activity an Quality Indicators of Fruit and Vegetable Juices; Ph.D. Thesis at Technische Universität Berlin (2002).
• Nyborg, W.L. (1965): Acoustic Streaming, Vol. 2B, Academic Press, New York (1965).