ულტრაბგერითი კავიტაცია სითხეებში

ულტრაბგერითი კავიტაცია არის მაღალი ინტენსივობის ულტრაბგერითი სითხის დამუშავების მამოძრავებელი ძალა. როდესაც მძლავრი ულტრაბგერა გადაეცემა სითხეს, წარმოიქმნება, იზრდება და მძლავრად იშლება მიკროსკოპული ორთქლის ბუშტუკები. ეს აკუსტიკური კავიტაცია ქმნის ინტენსიურ ადგილობრივ ძვრის ძალებს, მიკროჯეტებს, დარტყმით ტალღებს, წნევის ცვლილებებს და მიკროშერევის ეფექტებს, რომლებსაც შეუძლიათ დააჩქარონ ჰომოგენიზაცია, დისპერგირება, ემულსიფიცირება, ექსტრაქცია, დეგაზირება, უჯრედების დაშლა და სონოქიმიური რეაქციები.

Hielscher-ის პრობის ტიპის სონიკატორები იყენებენ კონტროლირებად აკუსტიკურ კავიტაციას ულტრაბგერითი ენერგიის პირდაპირ სითხეებში, სუსპენზიებსა და სუსპენზიურ მასებში გადასაცემად. მცირე ლაბორატორიული ნიმუშებიდან უწყვეტი სამრეწველო ნაკადით დამუშავებამდე, Hielscher-ის სისტემები საშუალებას გაძლევთ დაარეგულიროთ ამპლიტუდა, სონოტროდის გეომეტრია, წნევა, ტემპერატურა, ნაკადის სიჩქარე და დაყოვნების დრო კავიტაციის შედეგების გამეორებადობისთვის.

• ლაბორატორიებისთვის: შეამუშავეთ და ოპტიმიზირეთ ულტრაბგერითი დამუშავების პარამეტრები მცირე მოცულობებში.
• საპილოტე დანადგარებისთვის: დაადასტურეთ კავიტაციით გამოწვეული პროცესები რეალისტურ დამუშავების პირობებში.
• წარმოებისთვის: გაზარდეთ ულტრაბგერითი კავიტაცია პარტიული, რეცირკულაციური ან უწყვეტი ინლაინ პროცესებში.

ულტრაბგერითი კავიტაციის მოქმედების პრინციპი

როდესაც სითხეები მუშავდება მაღალი ინტენსივობის ულტრაბგერით, ბგერითი ტალღები, რომლებიც ვრცელდება სითხეში, იწვევენ მონაცვლეობით მაღალი წნევის (შეკუმშვა) და დაბალი წნევის (გაიშვიათება) ციკლებს, სიხშირეზე დამოკიდებული სიჩქარეებით. დაბალი წნევის ციკლის დროს, მაღალი ინტენსივობის ულტრაბგერითი ტალღები ქმნიან მცირე ვაკუუმის ბუშტუკებს ან სიცარიელეებს სითხეში. როდესაც ბუშტუკები აღწევენ მოცულობას, რომელზე მეტ ენერგიას ვეღარ შთანთქავენ, ისინი მძლავრად იშლებიან მაღალი წნევის ციკლის დროს. ეს ფენომენი ცნობილია როგორც კავიტაცია. იმპლოზიის დროს ადგილობრივად მიიღწევა ძალიან მაღალი ტემპერატურა (დაახლოებით 5 000K) და წნევა (დაახლოებით 2 000atm). კავიტაციის ბუშტუკის იმპლოზია ასევე იწვევს სითხის ჯეტებს 280m/s-მდე სიჩქარით.

აკუსტიკური კავიტაცია (წარმოქმნილი მძლავრი ულტრაბგერით) ქმნის ადგილობრივად ექსტრემალურ პირობებს, ე.წ. სონომექანიკურ და სონოქიმიურ ეფექტებს. ამ ეფექტების გამო, ულტრაბგერითი დამუშავება ხელს უწყობს ქიმიურ რეაქციებს, რომლებიც იწვევენ უფრო მაღალ წარმადობას, უფრო სწრაფ რეაქციის სიჩქარეს, ახალ გზებს და საერთო ეფექტურობის გაუმჯობესებას.

ულტრაბგერითი პრობებისა და აკუსტიკური კავიტაციის ძირითადი გამოყენების სფეროები

პრობის ტიპის ულტრაბგერითი პროცესორები, რომლებიც ასევე ცნობილია როგორც ულტრაბგერითი პრობები, ეფექტურად ქმნიან ინტენსიურ აკუსტიკურ კავიტაციას სითხეებში. ამიტომ, ისინი ფართოდ გამოიყენება სხვადასხვა ინდუსტრიის მრავალრიცხოვან გამოყენების სფეროებში. პრობის ტიპის ულტრაბგერითი პროცესორებით გამოწვეული აკუსტიკური კავიტაციის ზოგიერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი გამოყენების სფერო მოიცავს:

1. ჰომოგენიზაცია: ულტრაბგერითი პრობები შეუძლიათ შექმნან ინტენსიური კავიტაცია, რომელიც ხასიათდება ვიბრაციისა და ძვრის ძალების ენერგიაში მდიდარი ველით. ეს ძალები უზრუნველყოფენ შესანიშნავ აღრევას, შერევას და ნაწილაკების ზომის შემცირებას. ულტრაბგერითი ჰომოგენიზაცია ქმნის თანაბრად შერეულ სუსპენზიებს. ამიტომ, ულტრაბგერითი დამუშავება გამოიყენება ვიწრო განაწილების მრუდების მქონე ჰომოგენური კოლოიდური სუსპენზიის მისაღებად.
2. ნანონაწილაკების დისპერგირება: ულტრაბგერითი პროცესორები გამოიყენება ნანონაწილაკების დისპერგირებისთვის, დეაგლომერაციისა და სველი დაფქვისთვის. დაბალი სიხშირის ულტრაბგერითი ტალღები შეუძლიათ შექმნან მძლავრი კავიტაცია, რომელიც შლის აგლომერატებს და ამცირებს ნაწილაკების ზომას. კერძოდ, სითხის ჯეტების მაღალი ძვრა აჩქარებს ნაწილაკებს სითხეში, რომლებიც ეჯახებიან ერთმანეთს (ნაწილაკთაშორისი შეჯახება), რის შედეგადაც ნაწილაკები იმსხვრევა და ეროზირდება. ეს იწვევს ნაწილაკების თანაბარ და სტაბილურ განაწილებას, რაც ხელს უშლის დალექვას. ეს კრიტიკულია სხვადასხვა სფეროში, მათ შორის ნანოტექნოლოგიაში, მასალათა მეცნიერებასა და ფარმაცევტიკაში.
3. ემულსიფიკაცია და შერევა: პრობის ტიპის ულტრაბგერითი პროცესორები გამოიყენება ემულსიების შესაქმნელად და სითხეების შესარევად. ულტრაბგერითი ენერგია იწვევს კავიტაციას, მიკროსკოპული ბუშტუკების წარმოქმნასა და კოლაფსს, რაც ქმნის ინტენსიურ ლოკალურ ძვრის ძალებს. ეს პროცესი ხელს უწყობს არაშერეული სითხეების ემულსიფიკაციას, სტაბილური და წვრილად დისპერგირებული ემულსიების მიღებით.
4. ექსტრაქცია: კავიტაციური ძვრის ძალების გამო, ულტრაბგერითი პროცესორები მაღალეფექტურია უჯრედული სტრუქტურების დასარღვევად და მყარსა და თხევადს შორის მასის გადაცემის გასაუმჯობესებლად. ამიტომ, ულტრაბგერითი ექსტრაქცია ფართოდ გამოიყენება უჯრედშიდა მასალის, როგორიცაა ბიოაქტიური კომპონენტები, გამოსათავისუფლებლად მაღალი ხარისხის ბოტანიკური ექსტრაქტების მისაღებად.
5. დეგაზირება და დეაერაცია: პრობის ტიპის ულტრაბგერითი პროცესორები გამოიყენება სითხეებიდან გაზის ბუშტუკების ან გახსნილი გაზების მოსაშორებლად. ულტრაბგერითი კავიტაციის გამოყენება ხელს უწყობს გაზის ბუშტუკების კოალესცენციას, რის შედეგადაც ისინი იზრდებიან და სითხის ზედაპირზე ამოდიან. ულტრაბგერითი კავიტაცია დეგაზირებას აქცევს სწრაფ და ეფექტურ პროცედურად. ეს ღირებულია სხვადასხვა ინდუსტრიაში, როგორიცაა საღებავები, ჰიდრავლიკური სითხეები ან საკვები და სასმელი პროდუქტების დამუშავება, სადაც გაზების არსებობამ შეიძლება უარყოფითად იმოქმედოს პროდუქტის ხარისხსა და სტაბილურობაზე.
6. სონოკატალიზი: ულტრაბგერითი ზონდები შეიძლება გამოყენებულ იქნას სონოკატალიზისთვის, პროცესისთვის, რომელიც აერთიანებს აკუსტიკურ კავიტაციას კატალიზატორებთან ქიმიური რეაქციების გასაძლიერებლად. ულტრაბგერითი ტალღებით გამოწვეული კავიტაცია აუმჯობესებს მასის გადატანას, ზრდის რეაქციის სიჩქარეს და ხელს უწყობს თავისუფალი რადიკალების წარმოქმნას, რაც იწვევს უფრო ეფექტურ და სელექციურ ქიმიურ გარდაქმნებს.
7. ნიმუშის მომზადება: ზონდის ტიპის ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორები ფართოდ გამოიყენება ლაბორატორიებში ნიმუშების მომზადებისთვის. ისინი გამოიყენება ბიოლოგიური ნიმუშების, როგორიცაა უჯრედები, ქსოვილები და ვირუსები, ჰომოგენიზაციის, დეზაგრეგაციისა და ექსტრაქციისთვის. ზონდით გენერირებული ულტრაბგერითი ენერგია არღვევს უჯრედის მემბრანებს, ათავისუფლებს უჯრედის შიგთავსს და ხელს უწყობს შემდგომ ანალიზს.
8. დეზინტეგრაცია და უჯრედების დისრუფცია: ზონდის ტიპის ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორები გამოიყენება უჯრედებისა და ქსოვილების დაშლისა და რღვევისთვის სხვადასხვა მიზნით, როგორიცაა უჯრედშიდა კომპონენტების ექსტრაქცია, მიკრობული ინაქტივაცია ან ანალიზისთვის ნიმუშის მომზადება. მაღალი ინტენსივობის ულტრაბგერითი ტალღები და მათ მიერ წარმოქმნილი კავიტაცია იწვევს მექანიკურ დაძაბულობასა და ძვრის ძალებს, რაც უჯრედული სტრუქტურების დაშლას იწვევს. ბიოლოგიურ კვლევებსა და სამედიცინო დიაგნოსტიკაში ზონდის ტიპის ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორები გამოიყენება უჯრედების ლიზისისთვის – პროცესისთვის, რომლის დროსაც უჯრედები ირღვევა მათი უჯრედშიდა კომპონენტების გამოსათავისუფლებლად. ულტრაბგერითი ენერგია არღვევს უჯრედის კედლებს, მემბრანებსა და ორგანელებს, რაც შესაძლებელს ხდის ცილების, დნმ-ის, რნმ-ისა და სხვა უჯრედული კომპონენტების ექსტრაქციას.

ეს არის ზონდის ტიპის ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორების გამოყენების ზოგიერთი ძირითადი სფერო, თუმცა ტექნოლოგიას გამოყენების კიდევ უფრო ფართო სპექტრი აქვს, მათ შორის სონოქიმია, ნაწილაკების ზომის შემცირება (სველი დაფქვა), ნაწილაკების სინთეზი მცირე კომპონენტებიდან უფრო დიდი სტრუქტურების აგებით და ქიმიური ნივთიერებებისა და მასალების სონოსინთეზი სხვადასხვა დარგში, როგორიცაა ფარმაცევტიკა, სურსათის გადამუშავება, ბიოტექნოლოგია და გარემოს შემსწავლელი მეცნიერებები.

მაღალი სიჩქარით გადაღებული კადრების მიმდევრობა (a-დან f-მდე), რომელიც ასახავს წყალში გრაფიტის ფანტელის სონომექანიკურ ექსფოლიაციას UP200S-ის, 200W ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორის, გამოყენებით, 3-mm სონოტროდით. ისრები აჩვენებს ნაწილაკების გაყოფის ადგილს, სადაც კავიტაციის ბუშტები შეღწევენ გაყოფის ზონაში.
© Tyurnina et al. 2020

ქვემოთ მოცემული ცხრილი გაძლევთ წარმოდგენას ჩვენი ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორების მიახლოებითი დამუშავების სიმძლავრის შესახებ:

ვიდეო აკუსტიკური კავიტაციის შესახებ სითხეში

შემდეგი ვიდეო აჩვენებს აკუსტიკურ კავიტაციას UIP1000hdT ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორის cascatrode-ზე წყლით სავსე მინის კოლონაში. მინის კოლონა განათებულია ქვემოდან წითელი სინათლით, რათა გაუმჯობესდეს კავიტაციის ბუშტების ვიზუალიზაცია.