Ultrasonik Kavitasi dalam Cairan
Kavitasi ultrasonik merupakan kekuatan pendorong di balik pemrosesan cairan ultrasonik berintensitas tinggi. Ketika gelombang ultrasonik berdaya tinggi disalurkan ke dalam cairan, gelembung uap mikroskopis terbentuk, tumbuh, dan meledak dengan dahsyat. Kavitasi akustik ini menghasilkan gaya geser lokal yang intens, mikrojet, gelombang kejut, perubahan tekanan, dan efek pencampuran mikro yang dapat mempercepat homogenisasi, dispersi, emulsifikasi, ekstraksi, penghilangan gas, pemecahan sel, dan reaksi sonokimia.
Sonicator tipe probe Hielscher memanfaatkan kavitasi akustik yang terkendali untuk mentransfer energi ultrasonik secara langsung ke dalam cairan, suspensi, dan bubur. Mulai dari sampel laboratorium berskala kecil hingga produksi industri berarus kontinu, sistem Hielscher memungkinkan Anda menyesuaikan amplitudo, geometri sonotrode, tekanan, suhu, laju aliran, dan waktu tinggal untuk hasil kavitasi yang dapat diulang.
- Untuk laboratorium: mengembangkan dan mengoptimalkan parameter sonikasi pada volume kecil.
- Untuk pabrik percobaan: memvalidasi proses yang didorong oleh kavitasi dalam kondisi pengolahan yang realistis.
- Untuk produksi: menerapkan kavitasi ultrasonik berskala besar ke dalam proses batch, resirkulasi, atau proses inline berkelanjutan.
Beritahukan kepada kami jenis cairan, volume batch atau laju aliran, viskositas, kandungan padatan, batas suhu, serta hasil proses yang diinginkan. Kami akan merekomendasikan konfigurasi sonicator, sonotrode, dan sel aliran yang optimal untuk aplikasi kavitasi Anda.
Sonicator tipe probe seperti UP400St Gunakan prinsip kerja kavitasi akustik.
Prinsip Kerja Kavitasi Ultrasonik
Ketika mengsonikasi cairan pada intensitas tinggi, gelombang suara yang merambat ke dalam media cair mengakibatkan tekanan balik yang tinggi (kompresi) dan siklus bertekanan rendah (penjernihan), dengan tingkat yang tergantung pada frekuensi. Selama siklus bertekanan rendah, intensitas gelombang ultrasonik yang tinggi membuat gelembung-gelembung vakum kecil atau void dalam cairan. Ketika gelembung mencapai volume di mana mereka tak dapat lagi menyerap energi, mereka runtuh dengan keras selama dalam siklus bertekanan tinggi. Fenomena ini disebut kavitasi. Selama ledakan yang sangat tinggi suhu (sekitar. 5, 000K) dan tekanan (kira-kira 2, 000atm) dapat dicapai secara lokal. Ledakan gelembung kavitasi juga mengakibatkan cair jet dengan kecepatan hingga 280 m/s.
Kavitasi akustik (dihasilkan oleh ultrasonografi daya) menciptakan kondisi ekstrem lokal, yang disebut efek sonomekanik dan sonokimia. Karena efek ini, sonikasi mempromosikan reaksi kimia yang mengarah pada hasil yang lebih tinggi, kecepatan reaksi yang lebih cepat, jalur baru, dan peningkatan efisiensi secara keseluruhan.
Sonicator Probe atau Bak Ultrasonik: Metode Kavitasi Mana yang Tepat?
Sonicator probe dan bak ultrasonik sama-sama menghasilkan kavitasi akustik, namun keduanya memiliki perbedaan yang signifikan dalam hal intensitas, kontrol, dan keandalan proses. Meskipun bak ultrasonik berguna untuk pembersihan, sonikator tipe probe menyalurkan energi ultrasonik secara langsung ke dalam cairan dan menciptakan zona kavitasi yang jauh lebih kuat dan terfokus. Hal ini menjadikan sonikator tipe probe sebagai pilihan yang lebih disukai untuk aplikasi pemrosesan cairan yang dapat direproduksi, seperti homogenisasi, emulsifikasi, ekstraksi, penghancuran sel, dispersi nanopartikel, dan reaksi sonokimia.
| Kriteria Perbandingan | Sonicator probe | Ultrasonik bath |
|---|---|---|
| intensitas kavitasi | Menghasilkan kavitasi akustik berintensitas tinggi tepat di ujung sonotrode. | Menyebabkan terjadinya kavitasi yang lebih lemah yang tersebar di seluruh volume bak. |
| Transfer Energi | Mentransfer energi ultrasonik secara langsung ke dalam cairan, suspensi, atau bubur. | Mentransfer energi secara tidak langsung melalui cairan dalam bak dan dinding wadah. |
| Kontrol proses | Memungkinkan penyesuaian yang tepat terhadap amplitudo, daya masukan, mode pulsa, suhu, dan waktu pemrosesan. | Memberikan kendali yang terbatas atas energi ultrasonik yang sebenarnya mencapai sampel. |
| reproduktibilitas | Memberikan hasil sonikasi yang dapat diulang jika parameter proses telah ditetapkan dan dipantau. | Hasil dapat bervariasi akibat distribusi kavitasi yang tidak merata, posisi wadah, bahan wadah, tingkat pengisian, dan beban larutan. |
| Efisiensi pemrosesan | Sangat efisien untuk homogenisasi, dispersi, emulsifikasi, ekstraksi, pemecahan sel, dan sonokimia. | Cocok terutama untuk membersihkan. |
| Contoh Volume | Tersedia untuk sampel laboratorium skala kecil maupun dalam skala uji coba dan industri. | Biasanya digunakan untuk wadah kecil atau beberapa wadah yang diletakkan di dalam bak mandi. |
| di dalam | Dapat diterapkan mulai dari uji laboratorium hingga uji coba skala kecil dan proses industri berkelanjutan secara inline. | Sulit untuk ditingkatkan skalanya secara andal karena distribusi energi dan intensitas kavitasi tidak mudah ditransfer. |
| Media yang sesuai | Cocok untuk cairan, emulsi, suspensi, bubur, dan formulasi dengan kandungan padatan tinggi. | Sangat cocok untuk cairan berviskositas rendah serta tugas pembersihan atau penghilangan gas yang sederhana. |
| Aplikasi Khas | Dispersi nanopartikel, nanoemulsi, ekstraksi, lisis sel, homogenisasi, deaglomerasi, penggilingan basah, dan reaksi sonokimia. | Membersihkan peralatan kaca, menghilangkan gas dari cairan, melarutkan bubuk, dan mengaduk sampel secara ringan. |
| Pilihan terbaik untuk | Pengolahan cairan dengan gelombang ultrasonik yang terkendali, bertenaga, dan dapat diulang. | Pembersihan sederhana atau perawatan ultrasonik dengan intensitas rendah. |
Aplikasi Utama Sonicator dan Kavitasi Akustik
Ultrasonicator tipe probe, juga dikenal sebagai probe ultrasonik, secara efisien menghasilkan kavitasi akustik yang intens dalam cairan. Oleh karena itu, mereka banyak digunakan dalam berbagai aplikasi di berbagai industri. Beberapa aplikasi terpenting dari kavitasi akustik yang dihasilkan oleh ultrasonicators tipe probe meliputi:
- Homogenisasi: Probe ultrasonik dapat menghasilkan kavitasi yang intens, yang dicirikan sebagai medan getaran dan gaya geser yang padat energi. Gaya ini memberikan pencampuran, pencampuran, dan pengurangan ukuran partikel yang sangat baik. Homogenisasi ultrasonik menghasilkan suspensi campuran yang seragam. Oleh karena itu, sonikasi digunakan untuk menghasilkan suspensi koloid homogen dengan kurva distribusi yang sempit.
- Dispersi Nanopartikel: Ultrasonicators digunakan untuk dispersi, deaglomerasi dan penggilingan basah nanopartikel. Gelombang ultrasound frekuensi rendah dapat menghasilkan kavitasi yang berdampak, yang memecah aglomerat dan mengurangi ukuran partikel. Secara khusus, geser tinggi dari jet cairan mempercepat partikel dalam cairan, yang bertabrakan satu sama lain (tabrakan antarpartikulat) sehingga partikel akibatnya pecah dan terkikis. Hal ini menghasilkan distribusi partikel yang seragam dan stabil yang mencegah sedimentasi. Ini sangat penting dalam berbagai bidang, termasuk nanoteknologi, ilmu material, dan farmasi.
- Emulsifikasi dan Pencampuran: Ultrasonicators tipe probe digunakan untuk membuat emulsi dan mencampur cairan. Energi ultrasonik menyebabkan kavitasi, pembentukan dan runtuhnya gelembung mikroskopis, yang menghasilkan gaya geser lokal yang intens. Proses ini membantu dalam mengemulsi cairan yang tidak dapat bercampur, menghasilkan emulsi yang stabil dan terdispersi halus.
- Ekstraksi: Karena gaya geser kavitasi, ultrasonicators sangat efisien dalam mengganggu struktur seluler dan untuk meningkatkan perpindahan massa antara padat dan cair. Oleh karena itu, ekstraksi ultrasonik banyak digunakan untuk melepaskan bahan intraseluler seperti senyawa bioaktif untuk produksi ekstrak botani berkualitas tinggi.
- Degassing dan Deaerasi: Ultrasonicator tipe probe digunakan untuk menghilangkan gelembung gas atau gas terlarut dari cairan. Penerapan kavitasi ultrasonik mendorong penggabungan gelembung gas sehingga tumbuh dan mengapung ke bagian atas cairan. Kavitasi ultrasonik membuat degasifikasi menjadi prosedur yang cepat dan efisien. Ini berharga di berbagai industri, seperti dalam cat, cairan hidrolik, atau pengolahan makanan dan minuman, di mana keberadaan gas dapat berdampak negatif pada kualitas dan stabilitas produk.
- Sonotikalisis: Probe ultrasonik dapat digunakan untuk sonokatalisis, sebuah proses yang menggabungkan kavitasi akustik dengan katalis untuk meningkatkan reaksi kimia. Kavitasi yang dihasilkan oleh gelombang ultrasonik meningkatkan perpindahan massa, meningkatkan laju reaksi, dan mendorong produksi radikal bebas, yang mengarah pada transformasi kimia yang lebih efisien dan selektif.
- Persiapan sampel: Ultrasonicator tipe probe biasanya digunakan di laboratorium untuk persiapan sampel. Mereka digunakan untuk menghomogenkan, membongkar, dan mengekstrak sampel biologis, seperti sel, jaringan, dan virus. Energi ultrasonik yang dihasilkan oleh probe mengganggu membran sel, melepaskan isi seluler dan memfasilitasi analisis lebih lanjut.
- Disintegrasi dan Gangguan Sel: Ultrasonicator tipe probe digunakan untuk menghancurkan dan mengganggu sel dan jaringan untuk berbagai keperluan, seperti ekstraksi komponen intraseluler, inaktivasi mikroba, atau persiapan sampel untuk analisis. Gelombang ultrasonik intensitas tinggi dan kavitasi yang dihasilkan menyebabkan tekanan mekanis dan gaya geser, mengakibatkan disintegrasi struktur sel. Dalam penelitian biologi dan diagnostik medis, ultrasonicators tipe probe digunakan untuk lisis sel, proses memecah sel terbuka untuk melepaskan komponen intraselulernya. Energi ultrasonik mengganggu dinding sel, membran, dan organel, memungkinkan ekstraksi protein, DNA, RNA, dan konstituen seluler lainnya.
Ini adalah beberapa aplikasi utama ultrasonicator tipe probe, tetapi teknologi ini memiliki kegunaan lain yang lebih luas, termasuk sonokimia, pengurangan ukuran partikel (penggilingan basah), sintesis partikel dari bawah ke atas, dan sintesis sono zat dan bahan kimia di berbagai industri seperti farmasi, pengolahan makanan, bioteknologi, dan ilmu lingkungan.
Urutan bingkai berkecepatan tinggi (dari a hingga f) yang menggambarkan pengelupasan sono-mekanis serpihan grafit di dalam air menggunakan UP200S, ultrasonicator 200W dengan sonotrode 3 mm. Panah menunjukkan tempat partikel pemisahan dengan gelembung kavitasi menembus pemisahan.
© Tyurnina dkk. 2020
Manfaatkan Cavitasi Ultrasonik!
Tabel di bawah ini memberi Anda indikasi perkiraan kapasitas pemrosesan ultrasonikator kami:
| Batch Volume | Flow Rate | Direkomendasikan perangkat |
|---|---|---|
| 1 hingga 500mL | 10-200mL/min | UP100H |
| 10-2000mL | 20 hingga 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 hingga 20L | 0.2 sampai 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 sampai 100L | 2-10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 sampai 100L/menit | UIP16000 |
| n.a. | kristal yang lebbig | cluster UIP16000 |
Video Kavitasi Akustik dalam Cairan
Video berikut menunjukkan kavitasi akustik pada cascatrode ultrasonicator UIP1000hdT dalam kolom kaca berisi air. Kolom kaca diterangi dari bawah oleh lampu merah untuk meningkatkan visualisasi gelembung kavitasi.
Hielscher Ultrasonics memproduksi homogenizer ultrasonik berkinerja tinggi untuk aplikasi pencampuran, dispersi, emulsifikasi, dan ekstraksi pada skala laboratorium, percontohan, dan industri.
Pertanyaan yang Sering Diajukan
Apa itu Kavitasi ultrasonik?
Kavitasi ultrasonik adalah proses pembentukan, pertumbuhan, dan runtuhnya gelembung-gelembung mikroskopis secara tiba-tiba dalam suatu cairan yang terpapar gelombang ultrasonik berintensitas tinggi. Runtuhnya gelembung-gelembung ini menghasilkan geseran lokal yang intens, semburan cairan mikro, gelombang kejut, gradien tekanan tinggi, serta efek pencampuran mikro yang kuat.
Apa perbedaan antara kavitasi ultrasonik dan kavitasi akustik?
Kavitasi akustik adalah istilah umum untuk kavitasi yang disebabkan oleh gelombang suara. Kavitasi ultrasonik adalah kavitasi akustik yang dihasilkan oleh frekuensi ultrasonik, yang umumnya berada di atas rentang frekuensi yang dapat didengar. Dalam pengolahan cairan industri, kedua istilah tersebut sering digunakan untuk merujuk pada kavitasi yang dihasilkan oleh alat ultrasonik berdaya tinggi.
Bagaimana kavitasi ultrasonik dapat meningkatkan proses pengolahan cairan?
Kavitasi ultrasonik meningkatkan proses pengolahan cairan dengan menciptakan efek mekanis dan kimiawi yang intens di dalam cairan. Efek mekanis tersebut mendukung proses pencampuran, homogenisasi, emulsifikasi, pemecahan agregat partikel, penggilingan basah, ekstraksi, dan pemecahan sel. Dalam sistem reaktif, kavitasi juga dapat memperkuat efek sonokimia dan meningkatkan transfer massa.
Aplikasi apa saja yang menggunakan kavitasi ultrasonik?
Kavitasi ultrasonik digunakan untuk homogenisasi, dispersi, emulsifikasi, nanoemulsifikasi, ekstraksi, penghilangan gas, deaglomerasi, pengurangan ukuran partikel, lisis sel, penghancuran mikroba, sonokimia, sonokatalisis, dan reaksi fase cair tingkat lanjut.
Mengapa ultrasonikator tipe probe efektif untuk proses kavitasi?
Ultrasonikator tipe probe memancarkan energi ultrasonik secara langsung ke dalam cairan melalui sonotrode. Kopling energi langsung ini menciptakan zona kavitasi yang intens di dekat permukaan probe dan memungkinkan penyesuaian yang tepat terhadap parameter proses penting seperti amplitudo, daya masukan, suhu, tekanan, dan waktu pemrosesan.
Apakah bak ultrasonik cocok untuk kavitasi yang kuat?
Bak ultrasonik menghasilkan kavitasi, namun kepadatan energinya biasanya jauh lebih rendah dan kurang terfokus dibandingkan dengan sonikator tipe probe. Bak ultrasonik berguna untuk pembersihan dan perlakuan ringan, sedangkan sonikator tipe probe lebih disukai untuk homogenisasi yang dapat diulang, ekstraksi, emulsifikasi, dispersi, pemecahan sel, dan pengolahan cairan skala industri.
Baca dan lihat perbedaan antara sonikator tipe probe dan bak ultrasonik!
Parameter apa saja yang memengaruhi intensitas kavitasi ultrasonik?
Parameter-parameter penting meliputi amplitudo, daya ultrasonik, luas permukaan sonotrode, volume cairan, viskositas, kandungan padatan, tekanan, suhu, geometri wadah, geometri sel aliran, laju aliran, dan waktu tinggal. Dengan menyesuaikan parameter-parameter ini, intensitas kavitasi dapat disesuaikan dengan tujuan proses.
Apakah kavitasi ultrasonik dapat diterapkan dari skala laboratorium ke skala produksi?
Ya. Proses kavitasi ultrasonik dapat dikembangkan pada skala laboratorium dan diterapkan ke skala uji coba atau industri dengan mengontrol amplitudo, masukan energi, geometri sonotrode, laju aliran, dan waktu tinggal. Hielscher menyediakan ultrasonikator dan reaktor untuk pengujian laboratorium, uji coba skala pilot, serta produksi industri berkelanjutan.
Literatur / Referensi
- Suslick, K.S. (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; 4th Ed. J. Wiley & Sons: New York, 1998, vol. 26, 517-541.
- Aharon Gedanken (2003): Sonochemistry and its application to nanochemistry. Current Science Vol. 85, No. 12 (25 December 2003), pp. 1720-1722.
- 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.
- Ali Gholami, Fathollah Pourfayaz, Akbar Maleki (2021): Techno-economic assessment of biodiesel production from canola oil through ultrasonic cavitation. Energy Reports, Volume 7, 2021. 266-277.
- Anastasia V. Tyurnina, Iakovos Tzanakis, Justin Morton, Jiawei Mi, Kyriakos Porfyrakis, Barbara M. Maciejewska, Nicole Grobert, Dmitry G. Eskin 2020): Ultrasonic exfoliation of graphene in water: A key parameter study. Carbon, Vol. 168, 2020.
Hielscher Ultrasonics memproduksi homogenizer ultrasonik berkinerja tinggi dari laboratorium hingga ukuran industri.