Ultrasonication adalah metode pemrosesan mekanis yang menciptakan kavitasi akustik dan kekuatan 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

Homogenizers 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 deagglomeration padatan ke dalam cairan adalah aplikasi penting dari ultrasonicators tipe probe. Kavitasi ultrasonik / akustik menghasilkan gaya geser tinggi yang memecah aglomerat partikel menjadi partikel individu yang terdispersi tunggal. Pencampuran bubuk ke dalam cairan adalah langkah umum dalam formulasi berbagai produk, seperti cat, pernis, produk kosmetik, makanan dan minuman, atau media pemoles. Partikel-partikel individu disatukan oleh gaya tarik-tarik dari berbagai sifat fisik dan kimia, termasuk gaya van-der-Waals dan tegangan permukaan cair. Ultrasonication mengatasi gaya tarik-menarik ini untuk deagglomerate dan membubarkan partikel dalam media cair. Untuk dispersi dan deagglomeration bubuk dalam cairan, ultrasonikasi intensitas tinggi adalah alternatif yang menarik untuk homogenizer tekanan tinggi, mixer geser tinggi, pabrik manik-manik atau rotor-stator-mixer.
Klik di sini untuk membaca lebih lanjut tentang ultrasonik dispersing dan deagglomeration!

Teknologi emulsifikasi ultrasonik

Berbagai macam produk antara dan konsumen, seperti kosmetik dan lotion kulit, salep farmasi, pernis, cat dan pelumas dan bahan bakar didasarkan sepenuhnya atau sebagian pada emulsi. Emulsi adalah dispersi dari dua atau lebih fase cairan yang tidak bercampur. Ultrasound 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 pada cairan di sekitarnya dan menghasilkan pembentukan jet cair dengan kecepatan cairan tinggi (geser tinggi). Ultrasonication dapat secara tepat disesuaikan dengan ukuran emulsi target yang memungkinkan dengan demikian untuk produksi mikro-emulsi dan nano-emulsi yang andal.
Klik di sini untuk membaca lebih lanjut tentang ultrasonik mencampur!

Ultrasonik Wet-Milling dan Grinding

Ultrasonication adalah cara yang efisien untuk penggilingan basah dan penggilingan mikro partikel. Khususnya untuk pembuatan bubur ukuran superfine, ultrasound memiliki banyak keunggulan. Ini lebih unggul daripada peralatan pengurangan ukuran tradisional, seperti: pabrik koloid (misalnya pabrik bola, pabrik manik-manik), pabrik cakram atau pabrik jet. Ultrasonication dapat memproses bubur konsentrasi tinggi dan viskositas tinggi – oleh karena itu mengurangi volume yang akan diproses. Tentu saja, penggilingan ultrasonik cocok untuk memproses bahan ukuran mikron dan ukuran nano, seperti keramik, pigmen, barium sulfat, kalsium karbonat atau oksida logam. Terutama ketika datang ke 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 semprot-kering sebelum dan sesudah penggilingan ultrasonik

Disintegrasi Sel Ultrasonik dan Lisis

Perawatan ultrasonik dapat menghancurkan berserat, bahan selulosik 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, ultrasonikasi membuat lebih banyak bahan intra-seluler misalnya pati serta puing-puing dinding sel tersedia untuk enzim yang mengubah pati menjadi gula. Ini juga meningkatkan area permukaan yang terpapar enzim selama pencairan atau sakafiifikasi. 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 atsiri dan bahan aktif lainnya dari matriks seluler tanaman 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, nutraceuticals / suplemen nutrisi, wewangian dan aditif biologis. Ultrasonics adalah teknik ekstraksi hijau yang juga digunakan untuk ekstraksi komponen bioaktif dalam biorefineries, misalnya melepaskan senyawa berharga dari aliran produk sampingan yang tidak digunakan yang terbentuk dalam proses industri. Ultrasonication adalah teknologi yang sangat efektif untuk ekstraksi botani di laboratorium dan skala produksi.
Klik di sini untuk informasi lebih lanjut tentang ekstraksi ultrasonik!

Aplikasi Sonokimia dengan Ultrasonic

Sonochemistry adalah penerapan ULTRASOUND terhadap reaksi dan proses kimia. Mekanisme yang menyebabkan efek sonokimia dalam cairan adalah fenomena kavitasi akustik. Efek sonochemical terhadap reaksi dan proses kimia termasuk peningkatan kecepatan reaksi atau output, penggunaan energi yang lebih efisien, peningkatan kinerja katalis transfer fase, aktivasi logam dan padatan atau peningkatan reagent atau katalis.
Klik di sini untuk membaca lebih lanjut tentang efek USG sonochemical!

Ultrasonik Transesterifikasi Minyak untuk Biodiesel

Ultrasonication 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 rendah lainnya. Transesterifikasi ultrasonik dapat mengubah bahkan 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 memberikan ester metil atau etil etil yang sesuai. Ultrasonication 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!

Ultrasonic Degassing dan De-Aerasi Cairan

Degassing cairan adalah aplikasi penting lainnya dari ultrasonicators tipe probe. Getaran ultrasonik dan kavitasi menyebabkan koalesensi 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 ultrasonik dan deaerasi 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 yang ramah lingkungan untuk pembersihan bahan kontinu, seperti kawat dan kabel, selotip atau tabung. Efek kavitasi ultrasonik yang kuat menghilangkan residu pelumasan seperti minyak atau minyak, sabun, stearates 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 berkelanjutan!

Apa yang membuat Sonikasi menjadi Metode Pemrosesan yang 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:

1. 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 menciutkan gelembung secara efisien. Runtuhnya gelembung ini menghasilkan gelombang kejut energi tinggi, yang dapat memecah partikel dan mengganggu sel-sel dalam cairan yang sedang disonikasi.
2. Osilasi dan getaran: Selain kavitasi akustik yang dihasilkan, osilasi probe ultrasonik menciptakan agitasi tambahan dan pencampuran dalam cairan, sehingga mempromosikan transfer massa dan / atau degassing.
3. Penetrasi: Gelombang suara pada 20kHz memiliki panjang gelombang yang relatif panjang, yang memungkinkan mereka menembus jauh ke dalam cairan. Kavitasi ultrasonik adalah fenomena lokal yang muncul di sekitar probe ultrasonik. Dengan meningkatnya jarak ke probe, intensitas kavitasi menurun. Namun, sonikasi pada 20kHz dapat secara efisien mengobati volume cairan yang lebih besar, dibandingkan dengan sonikasi frekuensi yang lebih tinggi yang memiliki panjang gelombang lebih pendek dan mungkin lebih terbatas dalam kedalaman penetrasinya.
4. Konsumsi energi rendah: Sonikasi dapat dicapai dengan konsumsi energi yang relatif rendah dibandingkan dengan metode pemrosesan lainnya seperti homogenisasi tekanan tinggi atau pengadukan mekanis. Ini menjadikannya metode yang lebih hemat energi dan hemat biaya untuk memproses cairan.
5. 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 terus stabil.
6. Aliran batch dan inline: Ultrasonication dapat dilakukan sebagai batch atau sebagai proses inline terus menerus. 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 bergetar ultrasonik) dalam satu lintasan atau resirkulasi dan sangat seragam dan efisien terkena gelombang ultrasound.

Secara keseluruhan, kekuatan kavitasi yang intens, konsumsi energi yang rendah, dan skalabilitas proses membuat sonikasi frekuensi rendah dan daya tinggi menjadi metode yang efisien untuk memproses cairan.

Prinsip Kerja dan Penggunaan Ultrasonic Processing

Ultrasonication adalah teknologi pemrosesan komersial, yang telah diadopsi oleh banyak industri untuk produksi skala besar. Keandalan tinggi dan skalakalablilitas serta biaya perawatan yang rendah dan efisiensi energi yang tinggi menjadikan prosesor ultrasonik alternatif yang baik untuk peralatan pemrosesan cair tradisional. Ultrasound menawarkan peluang menarik tambahan: Kavitasi – efek ultrasonik dasar – menghasilkan hasil unik dalam proses biologis, kimia dan fisik. Misalnya, dispersi ultrasonik dan emulsifikasi 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 intens digunakan untuk pencampuran, pengemulsi, dispersi dan deagglomeration, disintegrasi sel atau penonaktifan enzim. Saat sonikasi cairan pada intensitas tinggi, gelombang suara merambat melalui media cair. 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 hebat 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 hingga kecepatan 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 secara permanen memutuskan ikatan kimia dalam rantai polimer; meningkatkan tingkat emulsifikasi; meningkatkan tingkat difusi; menghasilkan emulsi yang sangat terkonsentrasi atau dispersi seragam dari bahan berukuran mikron atau ukuran nano; membantu ekstraksi zat seperti enzim dari sel hewan, tumbuhan, ragi, atau bakteri; menghapus virus dari jaringan yang terinfeksi; dan akhirnya, mengikis dan memecah partikel yang rentan, termasuk mikroorganisme. (lihat Kuldiloke 2002)

Ultrasound intensitas tinggi menghasilkan agitasi kekerasan dalam cairan viskositas rendah, yang dapat digunakan untuk membubarkan bahan dalam cairan. (lihat Ensminger, 1988) Pada antarmuka cair/padat atau gas/padat, ledakan asimetris gelembung kavitasi dapat menyebabkan turbulensi ekstrem yang mengurangi lapisan batas difusi, meningkatkan transfer massa konveksi, dan sangat mempercepat difusi dalam sistem di mana pencampuran biasa tidak dimungkinkan. (lihat Nyborg, 1965)

Literatur