ულტრაბგერითი კავიტაცია სითხეებში

ულტრაბგერითი კავიტაცია არის მამოძრავებელი ძალა მაღალი ინტენსივობის ულტრაბგერითი სითხის დამუშავების უკან. როდესაც ძლიერი ულტრაბგერითი შერწყმულია თხევადი, მიკროსკოპული ორთქლის ბუშტები წარმოიქმნება, იზრდება და ძალადობრივად იშლება. ეს აკუსტიკური კავიტაცია ქმნის ინტენსიურ ადგილობრივ ათვლის ძალებს, მიკროჯეტებს, შოკის ტალღებს, წნევის ცვლილებებს და მიკრო შერევის ეფექტებს, რომლებსაც შეუძლიათ დააჩქარონ ჰომოგენიზაცია, დაშლა, ემულსიფიკაცია, ექსტრაქცია, დეგაზირება, უჯრედების დარღვევა და სონოქიმიური რეაქციები.

Hielscher ზონდის ტიპის სონიკატორები იყენებენ კონტროლირებად აკუსტიკური კავიტაციას ულტრაბგერითი ენერგიის პირდაპირ სითხეებში, სუსპენზიებსა და ნალექებში გადასატანად. მცირე ლაბორატორიული ნიმუშებიდან დაწყებული უწყვეტი სამრეწველო ნაკადის წარმოებამდე, Hielscher სისტემები საშუალებას გაძლევთ დაარეგულიროთ ამპლიტუდა, სონოტროდის გეომეტრია, წნევა, ტემპერატურა, ნაკადის სიჩქარე და საცხოვრებელი დრო რეპროდუცირებადი კავიტაციის შედეგებისთვის.

• ლაბორატორიებისთვის: შეიმუშავეთ და ოპტიმიზაცია გაუწიეთ გაჟღერების პარამეტრებს მცირე მოცულობით.
• საპილოტე ქარხნებისთვის: დაადასტურეთ კავიტაციაზე ორიენტირებული პროცესები რეალისტური დამუშავების პირობებში.
• წარმოებისთვის: მასშტაბის ულტრაბგერითი კავიტაცია პარტიაში, რეცირკულაცია ან უწყვეტი შიდა პროცესები.

ულტრაბგერითი კავიტაციის მუშაობის პრინციპი

სითხეების მაღალი ინტენსივობით გაჟღერებისას, ბგერის ტალღები, რომლებიც ვრცელდება თხევად მედიაში, იწვევს მაღალი წნევის (შეკუმშვის) და დაბალი წნევის (იშვიათობის) ციკლების მონაცვლეობას, სიხშირე დამოკიდებულია სიხშირეზე. დაბალი წნევის ციკლის დროს, მაღალი ინტენსივობის ულტრაბგერითი ტალღები ქმნიან პატარა ვაკუუმურ ბუშტებს ან სიცარიელეს სითხეში. როდესაც ბუშტები მიაღწევენ მოცულობას, რომლითაც ისინი ვეღარ შთანთქავენ ენერგიას, ისინი ძლიერად იშლება მაღალი წნევის ციკლის დროს. ამ ფენომენს კავიტაცია ეწოდება. აფეთქების დროს ადგილობრივად მიიღწევა ძალიან მაღალი ტემპერატურა (დაახლოებით 5000K) და წნევა (დაახლოებით 2000ატმ). კავიტაციის ბუშტის აფეთქება ასევე იწვევს სითხის ჭავლებს 280 მ/წმ-მდე სიჩქარით.

აკუსტიკური კავიტაცია (წარმოქმნილი დენის ულტრაბგერითი) ქმნის ადგილობრივ ექსტრემალურ პირობებს, ეგრეთ წოდებულ სონომექანიკურ და სონოქიმიურ ეფექტებს. ამ ეფექტების გამო, sonication ხელს უწყობს ქიმიურ რეაქციებს, რაც იწვევს უფრო მაღალ მოსავლიანობას, რეაქციის უფრო სწრაფ სიჩქარეს, ახალ გზებს და გაუმჯობესებულ საერთო ეფექტურობას.

სონიკატორებისა და აკუსტიკური ძირითადი აპლიკაციები კავიტაცია

ზონდის ტიპის ულტრაბგერითი, ასევე ცნობილი როგორც ულტრაბგერითი ზონდები, ეფექტურად წარმოქმნის ინტენსიურ აკუსტიკური კავიტაციას სითხეებში. აქედან გამომდინარე, ისინი ფართოდ გამოიყენება სხვადასხვა პროგრამებში სხვადასხვა ინდუსტრიაში. ზონდის ტიპის ულტრაბგერითი წარმოქმნილი აკუსტიკური კავიტაციის ზოგიერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი პროგრამა მოიცავს:
 

1. ჰომოგენიზაცია: ულტრაბგერითი ზონდებს შეუძლიათ წარმოქმნან ინტენსიური კავიტაცია, რომელიც ხასიათდება როგორც ვიბრაციისა და ათვლის ძალების ენერგიით მკვრივი ველი. ეს ძალები უზრუნველყოფს შესანიშნავ შერევას, შერევას და ნაწილაკების ზომის შემცირებას. ულტრაბგერითი ჰომოგენიზაცია აწარმოებს ერთნაირად შერეულ სუსპენზიებს. მაშასადამე, სონიკა გამოიყენება ვიწრო განაწილების მრუდებით ერთგვაროვანი კოლოიდური სუსპენზიის შესაქმნელად.
2. ნანონაწილაკების დისპერსია: ულტრაბგერითები გამოიყენება ნანონაწილაკების დისპერსიის, დეაგლომერაციისა და სველი დაფქვისთვის. დაბალი სიხშირის ულტრაბგერითი ტალღები შეიძლება გამოიწვიოს გავლენიანი კავიტაცია, რომელიც ანგრევს აგლომერატებს და ამცირებს ნაწილაკების ზომას. კერძოდ, თხევადი ჭავლების მაღალი ათვლა აჩქარებს სითხეში არსებულ ნაწილაკებს, რომლებიც ერთმანეთს ეჯახებიან (ნაწილაკთაშორისი შეჯახება), რის შედეგადაც ნაწილაკები იშლება და იშლება. ეს იწვევს ნაწილაკების ერთგვაროვან და სტაბილურ განაწილებას, რომელიც ხელს უშლის დალექვას. ეს გადამწყვეტია სხვადასხვა სფეროში, მათ შორის ნანოტექნოლოგიაში, მასალების მეცნიერებაში და ფარმაცევტულ პროდუქტებში.
3. ემულსიფიკაცია და შერევა: ზონდის ტიპის ულტრაბგერითები გამოიყენება ემულსიების შესაქმნელად და სითხეების შერევისთვის. ულტრაბგერითი ენერგია იწვევს კავიტაციას, მიკროსკოპული ბუშტების წარმოქმნას და კოლაფსს, რაც წარმოქმნის ინტენსიურ ადგილობრივ ათვლის ძალებს. ეს პროცესი ხელს უწყობს შეურევადი სითხეების ემულგირებას, სტაბილური და წვრილად გაფანტული ემულსიების წარმოქმნას.
4. მოპოვება: კავიტაციური ათვლის ძალების გამო, ულტრაბგერითები ძალზე ეფექტურია უჯრედული სტრუქტურების ჩაშლაში და მასის გადაცემის გასაუმჯობესებლად მყარ და თხევადს შორის. ამიტომ, ულტრაბგერითი ექსტრაქცია ფართოდ გამოიყენება უჯრედშორისი მასალის გასათავისუფლებლად, როგორიცაა ბიოაქტიური ნაერთები მაღალი ხარისხის ბოტანიკური ექსტრაქტების წარმოებისთვის.
5. დეგაზაცია და დეაერაცია: ზონდის ტიპის ულტრაბგერითები გამოიყენება სითხეებიდან გაზის ბუშტების ან გახსნილი გაზების მოსაშორებლად. ულტრაბგერითი კავიტაციის გამოყენება ხელს უწყობს გაზის ბუშტების გაერთიანებას ისე, რომ ისინი გაიზარდოს და ცურავს სითხის ზედა ნაწილში. ულტრაბგერითი კავიტაცია დეგაზიზაციას სწრაფ და ეფექტურ პროცედურად აქცევს. ეს ღირებულია სხვადასხვა ინდუსტრიებში, როგორიცაა საღებავები, ჰიდრავლიკური სითხეები ან საკვები და სასმელების გადამუშავება, სადაც გაზების არსებობამ შეიძლება უარყოფითად იმოქმედოს პროდუქტის ხარისხსა და სტაბილურობაზე.
6. სონოკატალიზი: ულტრაბგერითი ზონდები შეიძლება გამოყენებულ იქნას სონოკატალიზისთვის, პროცესი, რომელიც აერთიანებს აკუსტიკური კავიტაციას კატალიზატორებთან ქიმიური რეაქციების გასაძლიერებლად. ულტრაბგერითი ტალღების მიერ წარმოქმნილი კავიტაცია აუმჯობესებს მასის გადაცემას, ზრდის რეაქციის სიჩქარეს და ხელს უწყობს თავისუფალი რადიკალების გამომუშავებას, რაც იწვევს უფრო ეფექტურ და შერჩევით ქიმიურ ტრანსფორმაციას.
7. ნიმუშის მომზადება: ზონდის ტიპის ულტრაბგერითები ჩვეულებრივ გამოიყენება ლაბორატორიებში ნიმუშების მოსამზადებლად. ისინი გამოიყენება ბიოლოგიური ნიმუშების, როგორიცაა უჯრედების, ქსოვილებისა და ვირუსების ჰომოგენიზაციის, დაშლისა და ამოღების მიზნით. ზონდის მიერ გამომუშავებული ულტრაბგერითი ენერგია არღვევს უჯრედის მემბრანებს, ათავისუფლებს უჯრედულ შიგთავსს და ხელს უწყობს შემდგომ ანალიზს.
8. დაშლა და უჯრედების დარღვევა: ზონდის ტიპის ულტრაბგერითები გამოიყენება უჯრედებისა და ქსოვილების დაშლისა და დაშლის მიზნით სხვადასხვა მიზნებისთვის, როგორიცაა უჯრედშიდა კომპონენტების ექსტრაქცია, მიკრობული ინაქტივაცია ან ნიმუშის მომზადება ანალიზისთვის. მაღალი ინტენსივობის ულტრაბგერითი ტალღები და ამით წარმოქმნილი კავიტაცია იწვევს მექანიკურ სტრესს და ათვლის ძალებს, რაც იწვევს უჯრედის სტრუქტურების დაშლას. ბიოლოგიურ კვლევასა და სამედიცინო დიაგნოსტიკაში ზონდის ტიპის ულტრაბგერითი გამოიყენება უჯრედების ლიზისისთვის, ღია უჯრედების დაშლის პროცესი მათი უჯრედშიდა კომპონენტების გასათავისუფლებლად. ულტრაბგერითი ენერგია არღვევს უჯრედის კედლებს, მემბრანებსა და ორგანელებს, რაც უზრუნველყოფს ცილების, დნმ-ის, რნმ-ის და სხვა უჯრედული კომპონენტების ექსტრაქციას.

 
ეს არის ზონდის ტიპის ულტრაბგერითი აპარატების ზოგიერთი ძირითადი გამოყენება, მაგრამ ტექნოლოგიას აქვს სხვა გამოყენების კიდევ უფრო ფართო სპექტრი, მათ შორის სონოქიმია, ნაწილაკების ზომის შემცირება (სველი დაფქვი), ნაწილაკების ქვემოდან ზემოდან სინთეზი და ქიმიური ნივთიერებების სონოსინთეზი. და მასალები სხვადასხვა ინდუსტრიებში, როგორიცაა ფარმაცევტული, საკვების გადამამუშავებელი, ბიოტექნოლოგია და გარემოსდაცვითი მეცნიერებები.

ჩარჩოების მაღალსიჩქარიანი თანმიმდევრობა (a-დან f-მდე), რომელიც ასახავს წყალში გრაფიტის ფანტელის სონო-მექანიკურ აქერცვლას. გამოყენებით UP200S, 200W ულტრაბგერითი 3 მმ sonotrode. ისრები აჩვენებს ნაწილაკების გაყოფის ადგილს კავიტაციის ბუშტებით, რომლებიც შეაღწევენ გაყოფას.
© ტიურნინა და სხვ. 2020 წელი

ქვემოთ მოყვანილი ცხრილი გვიჩვენებს ჩვენი ულტრაბგერითი აპარატების სავარაუდო დამუშავების შესაძლებლობებს:

აკუსტიკური კავიტაციის ვიდეო სითხეში

შემდეგი ვიდეო გვიჩვენებს აკუსტიკური კავიტაციას ულტრაბგერითი აპარატის UIP1000hdT კასკატროდზე წყლით სავსე მინის სვეტში. შუშის სვეტი ქვემოდან განათებულია წითელი შუქით, რათა გაუმჯობესდეს კავიტაციის ბუშტების ვიზუალიზაცია.