Ultrasonics: Aplikasi dan proses
Ultrasonikasi adalah metode pemrosesan mekanis yang menciptakan kavitasi akustik dan gaya fisik yang sangat intens. Oleh karena itu, ultrasonik digunakan untuk berbagai aplikasi seperti pencampuran, homogenisasi, penggilingan, dispersi, emulsifikasi, ekstraksi, degassing, dan reaksi sono-kimia.
Di bawah ini, Anda akan mempelajari semua tentang aplikasi dan proses ultrasonik yang khas.
Ultrasonik Homogenizing
Homogenizer ultrasonik mengurangi partikel kecil dalam cairan untuk meningkatkan keseragaman dan stabilitas dispersi. Partikel (fase dispersi) dapat berupa padatan atau tetesan cairan yang tersuspensi dalam fase cair. Homogenisasi ultrasonik sangat efisien untuk pengurangan partikel lunak dan keras. Hielscher memproduksi ultrasonicators untuk homogenisasi volume cairan apa pun dan untuk pemrosesan batch atau inline. Perangkat ultrasonik laboratorium dapat digunakan untuk volume dari 1,5mL hingga sekitar 4L. Perangkat industri ultrasonik dapat memproses batch dari 0,5 hingga sekitar 2000L atau laju aliran dari 0,1L hingga 20 meter kubik per jam dalam pengembangan proses dan dalam produksi komersial.
Klik di sini untuk membaca lebih lanjut tentang ultrasonik homogenizing!
Ultrasonik Dispersing dan Deagglomeration
Dispersi dan deaglomerasi padatan menjadi cairan merupakan aplikasi penting dari ultrasonicator tipe probe. Kavitasi ultrasonik / akustik menghasilkan gaya geser tinggi yang memecah aglomerat partikel menjadi partikel tunggal yang terdispersi. Pencampuran bubuk menjadi cairan merupakan langkah umum dalam formulasi berbagai produk, seperti cat, pernis, produk kosmetik, makanan dan minuman, atau media pemoles. Partikel-partikel individu disatukan oleh gaya tarik-menarik dari berbagai sifat fisik dan kimia, termasuk gaya van-der-Waals dan tegangan permukaan cairan. Ultrasonikasi mengatasi gaya tarik-menarik ini untuk mendeaglomerasi dan membubarkan partikel dalam media cair. Untuk pendispersi dan deaglomerasi bubuk dalam cairan, ultrasonikasi intensitas tinggi adalah alternatif yang menarik untuk homogenizer tekanan tinggi, mixer geser tinggi, pabrik manik-manik atau mixer rotor-stator.
Klik di sini untuk membaca lebih lanjut tentang ultrasonik dispersing dan deagglomeration!
Teknologi emulsifikasi ultrasonik
Berbagai macam produk menengah dan konsumen, seperti kosmetik dan lotion kulit, salep farmasi, pernis, cat dan pelumas dan bahan bakar sepenuhnya atau sebagian didasarkan pada emulsi. Emulsi adalah dispersi dari dua atau lebih fase cairan yang tidak dapat bercampur. Ultrasonografi yang sangat intensif memasok geser yang cukup intens untuk membubarkan fase cair (fase terdispersi) dalam tetesan kecil pada fase kedua (fase kontinu). Di zona dispersi, gelembung kavitasi yang meledak menyebabkan gelombang kejut intensif di cairan di sekitarnya dan mengakibatkan pembentukan jet cairan dengan kecepatan cairan tinggi (geser tinggi). Ultrasonikasi dapat disesuaikan dengan ukuran emulsi target yang memungkinkan produksi mikro-emulsi dan nano-emulsi yang andal.
Klik di sini untuk membaca lebih lanjut tentang ultrasonik mencampur!
The UIP1000hdT adalah ultrasonicator kuat 1000 watt untuk aplikasi homogenisasi, penggilingan dan ekstraksi.
Ultrasonik Wet-Milling dan Grinding
Ultrasonikasi adalah sarana yang efisien untuk penggilingan basah dan penggilingan mikro partikel. Khususnya untuk pembuatan bubur ukuran superfine, ultrasound memiliki banyak keunggulan. Ini lebih unggul dari peralatan pengurangan ukuran tradisional, seperti: pabrik koloid (misalnya pabrik bola, pabrik manik-manik), pabrik cakram atau pabrik jet. Ultrasonikasi dapat memproses bubur konsentrasi tinggi dan viskositas tinggi - oleh karena itu mengurangi volume yang akan diproses. Tentu saja, penggilingan ultrasonik cocok untuk memproses bahan berukuran mikron dan nano, seperti keramik, pigmen, barium sulfat, kalsium karbonat atau oksida logam. Terutama dalam hal bahan nano, ultrasonication unggul dalam kinerja karena gaya gesernya yang sangat berdampak menciptakan nanopartikel kecil yang seragam.
Klik di sini untuk membaca lebih lanjut tentang ultrasonik wet-milling dan mikro-grinding!
TiO2 kering semprot sebelum dan sesudah penggilingan ultrasonik
Disintegrasi dan Lisis Sel Ultrasonik
Perawatan ultrasonik dapat menghancurkan bahan berserat dan selulosa menjadi partikel halus dan memecahkan dinding struktur sel. Ini melepaskan lebih banyak bahan intra-seluler, seperti pati atau gula ke dalam cairan. Efek ini dapat digunakan untuk fermentasi, pencernaan, dan proses konversi bahan organik lainnya. Setelah penggilingan dan penggilingan, ultrasonication membuat lebih banyak bahan intra-seluler misalnya pati serta puing-puing dinding sel tersedia untuk enzim yang mengubah pati menjadi gula. Itu juga meningkatkan luas permukaan yang terpapar enzim selama pencairan atau sakarifikasi. Ini biasanya meningkatkan kecepatan dan hasil fermentasi ragi dan proses konversi lainnya, misalnya untuk meningkatkan produksi etanol dari biomassa.
Klik di sini untuk membaca lebih lanjut tentang disintegrasi ultrasonik struktur sel!
ekstraksi ultrasonik tumbuhan
Ekstraksi senyawa bioaktif yang disimpan dalam sel dan partikel subseluler adalah aplikasi ultrasound intensitas tinggi yang banyak digunakan. Ekstraksi ultrasonik digunakan untuk mengisolasi metabolit sekunder (misalnya, polifenol), polisakarida, protein, minyak esensial, dan bahan aktif lainnya dari matriks seluler tumbuhan dan jamur. Cocok untuk ekstraksi air dan pelarut senyawa organik, sonikasi meningkatkan hasil tumbuhan yang terkandung dalam tanaman atau biji secara signifikan. Ekstraksi ultrasonik digunakan untuk produksi obat-obatan, nutrasetikal / suplemen nutrisi, wewangian dan aditif biologis. Ultrasonik adalah teknik ekstraksi hijau yang juga digunakan untuk ekstraksi komponen bioaktif di biorefinery, misalnya melepaskan senyawa berharga dari aliran produk sampingan yang tidak digunakan yang terbentuk dalam proses industri. Ultrasonikasi adalah teknologi yang sangat efektif untuk ekstraksi botani pada skala laboratorium dan produksi.
Klik di sini untuk informasi lebih lanjut tentang ekstraksi ultrasonik!
Reaktor ultrasonik dengan 16.000 watt untuk pemrosesan cairan yang ditingkatkan secara ultrasonik.
Aplikasi Sonokimia dengan Ultrasonic
Sonokimia adalah penerapan ultrasound untuk reaksi dan proses kimia. Mekanisme yang menyebabkan efek sonokimia dalam cairan adalah fenomena kavitasi akustik. Efek sonokimia terhadap reaksi dan proses kimia meliputi peningkatan kecepatan atau output reaksi, penggunaan energi yang lebih efisien, peningkatan kinerja katalis transfer fase, aktivasi logam dan padatan atau peningkatan reaktivitas reagen atau katalis.
Klik di sini untuk membaca lebih lanjut tentang efek USG sonochemical!
Ultrasonik Transesterifikasi Minyak untuk Biodiesel
Ultrasonikasi meningkatkan kecepatan reaksi kimia dan hasil transesterifikasi minyak nabati dan lemak hewani menjadi biodiesel. Hal ini memungkinkan perubahan produksi dari pemrosesan batch ke pemrosesan aliran berkelanjutan dan mengurangi biaya investasi dan operasional. Salah satu keuntungan utama dari pembuatan biodiesel ultrasonik adalah penggunaan minyak limbah seperti minyak goreng bekas dan sumber minyak berkualitas buruk lainnya. Transesterifikasi ultrasonik bahkan dapat mengubah bahan baku berkualitas rendah menjadi biodiesel berkualitas tinggi (asam lemak metil ester / FAME). Pembuatan biodiesel dari minyak nabati atau lemak hewani, melibatkan transesterifikasi asam lemak yang dikatalisis basa dengan metanol atau etanol untuk menghasilkan metil ester atau etil ester yang sesuai. Ultrasonikasi dapat mencapai hasil biodiesel lebih dari 99%. Ultrasonografi mengurangi waktu pemrosesan dan waktu pemisahan secara signifikan.
Klik di sini untuk membaca lebih lanjut tentang transesterifikasi ultrasonically membantu minyak menjadi biodiesel!
Degassing Ultrasonik dan De-Aerasi Cairan
Degassing cairan adalah aplikasi penting lainnya dari ultrasonicator tipe probe. Getaran ultrasonik dan kavitasi menyebabkan penggabungan gas terlarut dalam cairan. Saat gelembung gas menit menyatu, mereka membentuk gelembung yang lebih besar yang mengapung dengan cepat ke permukaan atas cairan dari sana mereka dapat dihilangkan. Dengan demikian, degassing dan deaerasi ultrasonik dapat mengurangi tingkat gas terlarut di bawah tingkat kesetimbangan alami.
Klik di sini untuk membaca lebih lanjut tentang degassing ultrasonik cairan!
Ultrasonik Kawat, Kabel dan Strip Pembersihan
Pembersihan ultrasonik adalah alternatif ramah lingkungan untuk pembersihan bahan kontinu, seperti kawat dan kabel, pita atau tabung. Efek kavitasi ultrasonik yang kuat menghilangkan residu pelumasan seperti minyak atau lemak, sabun, stearat atau debu dari permukaan material. Hielscher Ultrasonics menawarkan berbagai sistem ultrasonik untuk pembersihan inline profil kontinu.
Klik di sini untuk informasi lebih lanjut tentang pembersihan ultrasonik profil kontinu!
Hubungi Kami! / Tanya Kami!
Apa yang membuat Sonikasi Metode Pemrosesan Unggul?
Sonikasi, atau penggunaan gelombang suara frekuensi tinggi untuk mengaduk cairan, adalah metode pemrosesan yang efisien karena berbagai alasan. Berikut adalah beberapa alasan mengapa sonikasi pada intensitas tinggi dan frekuensi rendah sekitar 20kHz sangat berdampak dan menguntungkan untuk pemrosesan cairan dan bubur:
- Kavitasi: Salah satu mekanisme utama sonikasi adalah penciptaan dan runtuhnya gelembung kecil, sebuah fenomena yang disebut kavitasi. Pada 20kHz, gelombang suara berada pada frekuensi yang tepat untuk membuat dan meruntuhkan gelembung secara efisien. Runtuhnya gelembung ini menghasilkan gelombang kejut energi tinggi, yang dapat memecah partikel dan mengganggu sel-sel dalam cairan yang disonikasi.
- Osilasi dan getaran: Selain kavitasi akustik yang dihasilkan, osilasi probe ultrasonik menciptakan agitasi tambahan dan pencampuran dalam cairan, sehingga mendorong perpindahan massa dan/atau degassing.
- Penetrasi: Gelombang suara pada 20kHz memiliki panjang gelombang yang relatif panjang, yang memungkinkannya menembus jauh ke dalam cairan. Kavitasi ultrasonik adalah fenomena lokalisasi yang muncul di sekitar probe ultrasonik. Dengan meningkatnya jarak ke probe, intensitas kavitasi menurun. Namun, sonikasi pada 20kHz dapat secara efisien mengolah volume cairan yang lebih besar, dibandingkan dengan sonikasi frekuensi tinggi yang memiliki panjang gelombang lebih pendek dan mungkin lebih terbatas dalam kedalaman penetrasinya.
- Konsumsi energi rendah: Sonikasi dapat dicapai dengan konsumsi energi yang relatif rendah dibandingkan dengan metode pemrosesan lain seperti homogenisasi tekanan tinggi atau pengadukan mekanis. Ini menjadikannya metode yang lebih hemat energi dan hemat biaya untuk memproses cairan.
- Skalabilitas Linier: Proses ultrasonik dapat diskalakan sepenuhnya linier ke volume yang lebih besar atau lebih kecil. Hal ini membuat adaptasi proses dalam produksi dapat diandalkan karena kualitas produk dapat dipertahankan secara terus stabil.
- Aliran batch dan inline: Ultrasonikasi dapat dilakukan sebagai batch atau sebagai proses inline berkelanjutan. Untuk sonikasi batch, probe ultrasonik dimasukkan ke dalam bejana terbuka atau reaktor batch tertutup. Untuk sonikasi aliran aliran kontinu, sel aliran ultrasonik dipasang. Media cair melewati sonotrode (batang getar ultrasonik) dalam lintasan tunggal atau resirkulasi dan sangat seragam dan efisien terpapar gelombang ultrasound.
Secara keseluruhan, kekuatan kavitasi yang intens, konsumsi energi yang rendah, dan skalabilitas proses membuat sonikasi frekuensi rendah, daya tinggi menjadi metode yang efisien untuk memproses cairan.
Prinsip Kerja dan Penggunaan Pemrosesan Ultrasonik
Ultrasonikasi adalah teknologi pemrosesan komersial, yang telah diadopsi oleh banyak industri untuk produksi skala besar. Keandalan dan skala yang tinggi serta biaya perawatan yang rendah dan efisiensi energi yang tinggi menjadikan prosesor ultrasonik alternatif yang baik untuk peralatan pemrosesan cairan tradisional. Ultrasonografi menawarkan peluang menarik tambahan: Kavitasi – efek ultrasonik dasar – menghasilkan hasil unik dalam proses biologis, kimia, dan fisik. Misalnya, dispersi dan emulsifikasi ultrasonik dengan mudah menghasilkan formulasi berukuran nano yang stabil. Juga di bidang ekstraksi botani, ultrasound adalah teknik non-termal untuk mengisolasi senyawa bioaktif.
Sementara ultrasound intensitas rendah atau frekuensi tinggi terutama digunakan untuk analisis, pengujian dan pencitraan non-destruktif, ultrasound intensitas tinggi digunakan untuk pemrosesan cairan dan pasta, di mana gelombang ultrasound yang intens digunakan untuk pencampuran, pengemulsi, penyebaran dan deaglomerasi, disintegrasi sel atau penonaktifan enzim. Saat sonikasi cairan pada intensitas tinggi, gelombang suara merambat melalui media cair. Hal ini menghasilkan siklus tekanan tinggi (kompresi) dan tekanan rendah (rarefaction) bergantian, dengan laju tergantung pada frekuensinya. Selama siklus tekanan rendah, gelombang ultrasonik intensitas tinggi menciptakan gelembung vakum kecil atau rongga dalam cairan. Ketika gelembung mencapai volume di mana mereka tidak dapat lagi menyerap energi, mereka runtuh dengan keras selama siklus tekanan tinggi. Fenomena ini disebut kavitasi. Selama ledakan, suhu yang sangat tinggi (sekitar 5.000K) dan tekanan (sekitar 2.000atm) dicapai secara lokal. Ledakan gelembung kavitasi juga menghasilkan jet cair dengan kecepatan hingga 280 meter per detik.
Kavitasi ultrasonik dalam cairan dapat menyebabkan degassing yang cepat dan lengkap; memulai berbagai reaksi kimia dengan menghasilkan ion kimia bebas (radikal); mempercepat reaksi kimia dengan memfasilitasi pencampuran reaktan; meningkatkan reaksi polimerisasi dan depolimerisasi dengan menyebarkan agregat atau dengan memutus ikatan kimia secara permanen dalam rantai polimer; meningkatkan tingkat pengemulsi; meningkatkan laju difusi; menghasilkan emulsi yang sangat pekat 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 dan memecah partikel yang rentan, termasuk mikroorganisme. (lih. Kuldiloke 2002)
Ultrasonografi intensitas tinggi menghasilkan agitasi hebat dalam cairan dengan viskositas rendah, yang dapat digunakan untuk membubarkan bahan dalam cairan. (lih. Ensminger, 1988) Pada antarmuka cair/padat atau gas/padat, ledakan asimetris gelembung kavitasi dapat menyebabkan turbulensi ekstrem yang mengurangi lapisan batas difusi, meningkatkan perpindahan massa konveksi, dan sangat mempercepat difusi dalam sistem di mana pencampuran biasa tidak memungkinkan. (lih. Nyborg, 1965)
Kavitasi Ultrasonik yang Kuat di Hielscher Cascatrode
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).
Reaktor ultrasonik dengan probe 4x 2000 watt (8kW) untuk proses sonokimia.
Hielscher Ultrasonics memproduksi homogenizer ultrasonik berkinerja tinggi dari laboratorium hingga ukuran industri.