Tecnologia ad ultrasuoni Hielscher

Sonicazione del tipo di sonda contro il bagno ad ultrasuoni: Confronto dell'efficienza

I processi di sonicazione possono essere eseguiti con l'utilizzo di un omogeneizzatore a sonicazione a sonicazione a sonda o di un bagno ad ultrasuoni. Anche se entrambe le tecniche applicano gli ultrasuoni al campione, ci sono differenze significative in termini di efficacia, efficienza e capacità di processo.

Gli effetti desiderati dall'ultrasuoni dei liquidi – compreso Omogeneizzazione, la dispersione, Deagglomerato, Fresatura, emulsificazione, estrazione, lisi, Disintegrazione e effetti sono-chimici - sono causati da cavitazione. Introducendo gli ultrasuoni ad alta potenza in un mezzo liquido, le onde sonore vengono trasmesse nel fluido e creano cicli alternati ad alta pressione (compressione) e bassa pressione (rarefazione), con frequenze variabili a seconda della frequenza. Durante il ciclo a bassa pressione, onde ultrasoniche ad alta intensità creano piccole bolle di vuoto o vuoti nel liquido. Quando le bolle raggiungono un volume al quale non possono più assorbire energia, collassano violentemente durante un ciclo ad alta pressione. Questo fenomeno è chiamato cavitazione. Durante l'implosione si raggiungono localmente temperature (ca. 5.000K) e pressioni (ca. 2.000atm) molto elevate. L'implosione della bolla di cavitazione produce anche getti di liquido fino a 280m/s di velocità. E' la prima volta che la gente si rende conto di quanto sia importante per me.

Le bolle di cavitazione possono essere differenziate in bolle stabili e transitorie. (Clicca per ingrandire!)

Moholkar et al. (2000) hanno trovato che le bolle nella regione di maggiore intensità di cavitazione hanno subito un movimento transitorio, mentre le bolle nella regione di minore intensità di cavitazione hanno subito un movimento stabile / oscillatorio. Il collasso transitorio delle bolle che dà luogo a temperature e pressioni massime locali è alla radice degli effetti osservati degli ultrasuoni sui sistemi chimici.
L'intensità dell'ultrasonicazione è funzione dell'energia immessa e dell'area superficiale del sonotrodo. Per una data energia in ingresso si applica: più grande è la superficie del sonotrodo, minore è l'intensità degli ultrasuoni.
Le onde ultrasoniche possono essere generate da diversi tipi di sistemi ad ultrasuoni. Di seguito vengono confrontate le differenze tra la sonicazione con bagno ad ultrasuoni, il dispositivo con sonda ad ultrasuoni in un vaso aperto e il dispositivo con sonda ad ultrasuoni con cella a flusso.

Confronto della distribuzione dei punti caldi cavitazionali

Bagno ad ultrasuoni

In un bagno ad ultrasuoni, la cavitazione si verifica in modo non conformabile e distribuito in modo incontrollabile attraverso il serbatoio. L'effetto sonicazione è di bassa intensità e in modo disomogeneo diffusione. La ripetibilità e la scalabilità del processo è molto scarsa.
L'immagine sotto mostra i risultati di un test su pellicola in un serbatoio ad ultrasuoni. Pertanto, una sottile lamina di alluminio o di stagno viene posta sul fondo di un serbatoio ad ultrasuoni riempito d'acqua. Dopo la sonicazione, sono visibili singoli segni di erosione. I singoli punti perforati e i fori nella lamina indicano i punti caldi cavitazionali. A causa della basso consumo energetico e il disomogeneo distribuzione degli ultrasuoni all'interno della vasca, i segni di erosione si verificano solo in modo puntuale. Pertanto, i bagni ad ultrasuoni sono principalmente utilizzati per applicazioni di pulizia.

In an ultrasonic bath or tank, the ultrasonic "hot spots" si verificano in modo molto disomogeneo. (Clicca per ingrandire!)
Le figure seguenti mostrano la distribuzione non uniforme dei punti caldi cavitazionali in un bagno ad ultrasuoni. In Fig. 2, un bagno con una superficie inferiore di 20×Sono stati utilizzati 10 cm.
Cavitazione irregolare in un bagno ad ultrasuoni (Clicca per ingrandire!)

Per le misure indicate in Fig. 3 è stato utilizzato un bagno ad ultrasuoni con uno spazio inferiore di 12x10cm.
La figura mostra la distribuzione spaziale non uniforme dei punti caldi ad ultrasuoni in un bagno ad ultrasuoni. (Clicca per ingrandire!)
Entrambe le misurazioni rivelano che la distribuzione del campo di irradiazione ultrasonica nelle vasche a ultrasuoni è molto irregolare.
Lo studio dell'irradiazione ultrasonica in vari punti del bagno mostra variazioni spaziali significative nell'intensità di cavitazione nel bagno ultrasonico.

La seguente Fig. 4 mette a confronto l'efficienza di un bagno ad ultrasuoni e di una sonda ad ultrasuoni esemplificata dalla decolorazione del colorante azoico Methyl Violet.
Maggiore efficienza grazie alla sonicazione di tipo sonda (Clicca per ingrandire!)
Dhanalakshmi et al. hanno scoperto nel loro studio che tipo di sonda ad ultrasuoni hanno un alto localizzato intensità rispetto al tipo di serbatoio e, quindi, maggiore effetto localizzato, come illustrato nella Fig. 4. Ciò significa una maggiore intensità ed efficienza del processo di sonicazione.
Una configurazione ad ultrasuoni, come mostrato in figura 4, consente il pieno controllo dei parametri più importanti - ampiezza, pressione, temperatura, viscosità, concentrazione, volume del reattore.

La sonicazione di tipo sonda è molto efficace ed efficiente cvs un bagno sonicator

Sintonizzazione del tipo di sonda con UP200Ht

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Ultrasonic processing: Cavitational "hot spot"

Foto 1: Sonicotrodo ad ultrasuoni che trasmette le onde sonore nel liquido. L'appannamento sotto la superficie del sonotrodo indica l'area cavitazionale del punto caldo.

Vantaggi Probe-Sonication:

  • intense
  • incentrata
  • completamente controllabile
  • distribuzione uniforme
  • riproducibile
  • scale-up lineare
  • batch e in linea

Sonda a ultrasuoni in un bicchiere aperto

Quando i campioni sono sonicati con un dispositivo a ultrasuoni, la zona di sonicazione intensa si trova direttamente sotto il sonotrodo/sonda. La distanza di irradiazione ultrasonica è limitata ad una certa area della punta del sonotrodo. (vedi fig.1)
I processi ad ultrasuoni in bicchieri aperti sono principalmente utilizzati per le prove di fattibilità e per la preparazione di campioni in piccole quantità.

Sonda a ultrasuoni in modalità a flusso continuo

I risultati di sonicazione più sofisticati si ottengono con un processo continuo in modalità a flusso chiuso. Tutto il materiale viene lavorato con la stessa intensità di ultrasuoni con cui viene controllato il percorso del flusso e il tempo di permanenza nella camera del reattore ad ultrasuoni.

Elaborazione ad ultrasuoni in linea con reattore a cella di flusso (Clicca per ingrandire!)

Foto 4: sistema a ultrasuoni da 1kW UIP1000hd con cella di flusso e pompa

I risultati di processo dell'elaborazione a liquido ultrasonico per una data configurazione dei parametri sono una funzione dell'energia per volume elaborato. La funzione cambia con le modifiche dei singoli parametri. Inoltre, la potenza effettiva di uscita e l'intensità per superficie del sonotrodo di un'unità ultrasonica dipende dai parametri.

I parametri più importanti del trattamento ad ultrasuoni includono l'ampiezza (A), la pressione (p), il volume del reattore (VR), la temperatura (T) e la viscosità (η).

L'impatto cavitazionale dell'elaborazione ultrasonica dipende dall'intensità superficiale che è decritta dall'ampiezza (A), dalla pressione (p), dal volume del reattore (VR), dalla temperatura (T), dalla viscosità (η) e da altri fattori. I segni più e meno indicano un'influenza positiva o negativa del parametro specifico sull'intensità di sonicazione.

Controllando il parametro più importante del processo di sonicazione, il processo è completamente ripetibile e i risultati ottenuti possono essere scalati in modo completamente lineare. Diversi tipi di sonotrodi e reattori a celle a flusso ultrasonico consentono l'adattamento a specifiche esigenze di processo.

Riepilogo

Mentre un Bagno ad ultrasuoni fornisce un flebile sonicazione con ca. 20-40 W/L e una molto non uniforme distribuzione, tipo di sonda ad ultrasuoni possono essere facilmente accoppiati ca. 20.000 W/L nel mezzo trattato. Ciò significa che un dispositivo a sonde ad ultrasuoni eccelle un bagno ultrasonico per fattore 1000 (1000 volte maggiore di energia immessa per volume) grazie ad un incentrata e unitaria potenza assorbita ad ultrasuoni. Il pieno controllo dei più importanti parametri di sonicazione assicura completamente riproducibile e i risultati Scalabilità lineare dei risultati del processo.

Potente sonicazione con un ultrasuoni a sonda.

Fig.3: Sonicazione in una provetta aperta utilizzando un sistema di sonicazione dispositivo da laboratorio ad ultrasuoni con sonotrodo/sonda

Letteratura/riferimenti

 

  • Dhanalakshmi, N.P.; Nagarajan, R. (2011): Intensificazione ad ultrasuoni del degrado chimico del viola metile: Uno studio sperimentale. Dentro: Mondi Acsd. Sci. Enginee Tech 2011, Vol.59, 537-542.
  • Kiani, H.; Zhang, Z. Delgado, A.; Sun, D.-W. (2011): Nucleazione assistita ad ultrasuoni di alcuni alimenti modello liquidi e solidi durante il congelamento. Dentro: Food Res. Intl. 2011, Vol.44/No.9, 2915-2921.
  • Moholkar, V. S. S.; Sable, S. P. P.; Pandit, A. B. (2000): Mappatura dell'intensità di cavitazione in un bagno ad ultrasuoni utilizzando l'emissione acustica. Dentro: AIChE J. 2000, Vol.46/No.4, 684-694.
  • Nascentes, C. C. C. C.; Korn, M.; Sousa, C. S.; Arruda, M. A. Z. (2001): Uso dei bagni ad ultrasuoni per applicazioni analitiche: Un nuovo approccio per le condizioni di ottimizzazione. Dentro: J. Braz. Chimica. Soc. 2001, Vol.12/n. 1, 57-63.
  • Santos, H. M.; Lodeiro, C., Capelo-Martinez, J.-L. (2009): Il potere degli ultrasuoni. Dentro: L'ecografia in chimica: Applicazione analitica. (a cura di J.-L. Capelo-Martinez). Wiley-VCH: Weinheim, 2009. 1-16.
  • Suslick, K. S. (1998): Kirk-Othmer Enciclopedia della tecnologia chimica; 4° Ed. J. Wiley & Figli: New York, 1998, vol. 26, 517-541.

 

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Particolarità / Cose da sapere

Gli omogeneizzatori di tessuto ad ultrasuoni sono spesso indicati come sonda sonicator, sonic lyser, ultrasuoni disgregatore, macinatore ad ultrasuoni, sono-ruptor, sonifier, dismembratore sonico, distruttore cellulare, dispersore ad ultrasuoni o dissolutore. I diversi termini derivano dalle varie applicazioni che possono essere soddisfatte dalla sonicazione.