Ultraschallkavitatioun a Flëssegkeeten
Ultraschallkavitatioun ass déi dreiwend Kraaft hannert der Veraarbechtung vu Flëssegkeete mat Ultraschall mat héijer Intensitéit. Wa leeschtungsstaarken Ultraschall an eng Flëssegkeet agekoppelt gëtt, entsti mikroskopesch Dampblosen, déi wuessen a mat grousser Heeftegkeet zesummebriechen. Dës akustesch Kavitatioun erzeugt intensiv lokal Schéierkräften, Mikrostralen, Stousswellen, Drockännerungen a Mikromëschungseffekter, déi d’Homogeniséierung, d’Dispergéierung, d’Emulgéierung, d’Extraktioun, d’Entgasung, den Zellopbroch a sonochemesch Reaktioune beschleunege kënnen.
D’Sondesonikatore vun Hielscher notze kontrolléiert akustesch Kavitatioun, fir Ultraschallenergie direkt a Flëssegkeeten, Suspensiounen a Schlämmen ze iwwerdroen. Vu klenge Laborprouwe bis zur kontinuéierlecher industrieller Duerchflossproduktioun erlaben d’Systemer vun Hielscher Iech, d’Amplitüd, d’Sonotrodegeometrie, den Drock, d’Temperatur, de Volumenduerchfloss an d’Verweilzäit fir reproduzéierbar Kavitatiounsresultater anzestellen.
- Fir Laboratoiren: Parametere fir d’Ultraschallbehandlung a klenge Volumenen entwéckelen an optiméieren.
- Fir Pilotanlagen: Prozesser, déi duerch Kavitatioun ugedriwwe ginn, ënner realistesche Veraarbechtungsbedéngunge validéieren.
- Fir d’Produktioun: Ultraschallkavitatioun op Chargeprozesser, Rezirkulatiounsprozesser oder kontinuéierlech Inlineprozesser eropskaléieren.
Deelt eis Är Flëssegkeet, Äre Chargevolumen oder Volumenduerchfloss, Är Viskositéit, Äre Feststoffgehalt, Är Temperaturgrenzen an Äert ugestrieft Prozessresultat mat. Mir recommandéieren Iech déi optimal Konfiguratioun vu Sonikator, Sonotrod an Duerchflosszell fir Är Kavitatiounsapplikatioun.
Sondesonikatore wéi den UP400St notzen d’Funktiounsprinzip vun der akustescher Kavitatioun.
D’Funktiounsprinzip vun der Ultraschallkavitatioun
Bei der Ultraschallbehandlung vu Flëssegkeete mat héijen Intensitéite féieren d’Schallwellen, déi sech an de flëssege Medien ausbreeden, zu ofwiesselnden Héichdrockzyklen (Kompressioun) an Nidderdrockzyklen (Rarefaktioun), deenen hir Widderhuelungsraten vun der Frequenz ofhänken. Wärend dem Nidderdrockzyklus erzeugen Ultraschallwelle mat héijer Intensitéit kleng Vakuumblosen oder Huelraim an der Flëssegkeet. Wann d’Blosen e Volumen erreechen, bei deem si keng Energie méi ophuele kënnen, brieche si wärend engem Héichdrockzyklus mat grousser Heeftegkeet zesummen. Dëst Phänomeen gëtt Kavitatioun genannt. Wärend der Implosioun gi lokal ganz héich Temperaturen (ca. 5.000K) an Dréck (ca. 2.000atm) erreecht. D’Implosioun vun der Kavitatiounsblos féiert och zu Flëssegkeetsstrale mat enger Vitess vu bis zu 280m/s.
Akustesch Kavitatioun (duerch Leeschtungsultraschall erzeugt) schaaft lokal extrem Bedéngungen, sougenannt sonomechanesch a sonochemesch Effekter. Duerch dës Effekter fërdert d’Ultraschallbehandlung chemesch Reaktiounen, déi zu méi héijen Ausbezuelen, méi héijer Reaktiounsvitess, neie Reaktiounsweeër an enger verbesserter Gesamteffizienz féieren.
Sondesonikator oder Ultraschallbad: Wéi eng Kavitatiounsmethod ass déi richteg?
Sondesonikatoren an Ultraschallbieder erzeugen allebéid akustesch Kavitatioun, mee si ënnerscheede sech däitlech wat d’Intensitéit, d’Steierung an d’Prozesszouverlässegkeet ugeet. Wärend Ultraschallbieder nëtzlech fir d’Botze sinn, koppelen d’Sondesonikatoren Ultraschallenergie direkt an d’Flëssegkeet an a schafen eng vill méi staark, fokusséiert Kavitatiounszon. Doduerch si Sondesonikatoren déi bevorzugt Wiel fir reproduzéierbar Uwendunge bei der Veraarbechtung vu Flëssegkeeten, wéi Homogeniséierung, Emulgéierung, Extraktioun, Zellopbroch, Nanopartikeldispersioun a sonochemesch Reaktiounen.
| Vergläichskrittären | Sondesonikator | Ultraschallbad |
|---|---|---|
| Kavitatiounsintensitéit | Erzeugt akustesch Kavitatioun mat héijer Intensitéit direkt un der Spëtzt vun der Sonotrod. | Erzeugt méi schwaach Kavitatioun, déi iwwer de Badvolumen verdeelt ass. |
| Energieiwwerdroung | Iwwerdréit Ultraschallenergie direkt an d’Flëssegkeet, d’Suspensioun oder de Schlamm. | Iwwerdréit Energie indirekt duerch d’Badflëssegkeet an d’Gefässwand. |
| Prozesssteierung | Erlaabt eng präzis Astellung vun der Amplitüd, der agebrachter Leeschtung, dem Pulsmodus, der Temperatur an der Veraarbechtungszäit. | Bitt eng begrenzt Kontroll iwwer déi tatsächlech Ultraschallenergie, déi d’Prouf erreecht. |
| Reproduzéierbarkeet | Liwwert reproduzéierbar Resultater vun der Ultraschallbehandlung, wann d’Prozessparameter definéiert an iwwerwaacht ginn. | D’Resultater kënnen duerch eng ongläichméisseg Verdeelung vun der Kavitatioun, d’Positioun vum Gefäss, d’Gefässmaterial, de Fëllstand an d’Belaaschtung vum Bad variéieren. |
| Veraarbechtungseffizienz | Héicheffizient fir d’Homogeniséieren, d’Dispergéieren, d’Emulgéieren, d’Extraktioun, den Zellopschloss an d’Sonochemie. | Haaptsächlech fir d’Botze gëeegent. |
| Proufvolumen | Fir kleng Laborprouwe souwéi fir Volumenen am Pilot- an Industriemoossstaf verfügbar. | Gëtt typescherweis fir kleng Gefässer oder méi Behälter benotzt, déi am Bad placéiert ginn. |
| Iwwerdroung op e méi grousse Moossstaf | Kann vu Labortester op Pilotversich a kontinuéierlech industriell Inline-Veraarbechtung iwwerdroe ginn. | Schwéier zouverlässeg op e méi grousse Moossstaf ze iwwerdroen, well d’Energieverdeelung an d’Kavitatiounsintensitéit net einfach iwwerdroe kënne ginn. |
| Gëeegent Medien | Wierksam fir Flëssegkeeten, Emulsiounen, Suspensiounen, Schlämm a Formuléierunge mat engem héije Feststoffgehalt. | Am beschte fir Flëssegkeete mat niddreger Viskositéit an einfach Botz- oder Entgasungsaufgabe gëeegent. |
| Typesch Uwendungen | Dispersioun vun Nanopartikelen, Nanoemulsiounen, Extraktioun, Zelllys, Homogeniséierung, Desagglomeratioun, Naassmuelen a sonocheemesch Reaktiounen. | Botze vu Glasgeschier, Entgase vu Flëssegkeeten, Opléise vu Pudder a liicht Beweegung vu Prouwen. |
| Bescht Wiel fir | Kontrolléiert, leeschtungsstaark a reproduzéierbar Ultraschallveraarbechtung vu Flëssegkeeten. | Einfach Botzen oder Ultraschallbehandlung mat niddreger Intensitéit. |
Wichteg Uwendunge vun Ultraschallapparater an akustescher Kavitatioun
Ultraschallapparater mat Sond, och als Ultraschallsonde bekannt, erzeuge mat héijer Effizienz intensiv akustesch Kavitatioun a Flëssegkeeten. Dofir gi si a villen Uwendungen a verschiddenen Industrieberäicher agesat. Zu de wichtegsten Uwendunge vun der akustescher Kavitatioun, déi vun Ultraschallapparater mat Sond erzeugt gëtt, gehéieren:
- Homogeniséierung: Ultraschallsonde kënnen intensiv Kavitatioun erzeugen, déi sech als en energiedicht Feld vu Schwéngungen a Schéierkräften charakteriséiere léisst. Dës Kräfte suerge fir eng exzellent Vermëschung, Vermengung a Reduktioun vun der Partikelgréisst. D’Ultraschallhomogeniséierung produzéiert gläichméisseg vermëschte Suspensiounen. Dofir gëtt d’Ultraschallbehandlung benotzt, fir eng homogen kolloidal Suspensioun mat schmuele Verdeelungskéieren ze produzéieren.
- Dispersioun vun Nanopartikelen: Ultraschallapparater gi fir d’Dispersioun, d’Desagglomeratioun an d’Naassmuele vun Nanopartikelen agesat. Ultraschallwelle mat niddreger Frequenz kënne staark wierkend Kavitatioun erzeugen, déi Agglomerater zerleet an d’Partikelgréisst reduzéiert. Besonnesch déi héich Schéierwierkung vun de Flëssegkeetsstrale beschleunegt Partikelen an der Flëssegkeet, déi matenee kollidéieren (interpartikulär Kollisioun), soudatt d’Partikelen als Folleg zerbriechen an erodéieren. Dëst féiert zu enger gläichméisseger a stabiler Verdeelung vun de Partikelen, déi d’Sedimentatioun verhënnert. Dëst ass a verschiddene Beräicher entscheedend, dorënner an der Nanotechnologie, der Materialwëssenschaft an der pharmazeutescher Industrie.
- Emulgéieren a Mëschen: Ultraschallapparater mat Sond gi benotzt, fir Emulsiounen hierzestellen a Flëssegkeeten ze mëschen. D’Ultraschallenergie verursaacht Kavitatioun, also d’Bildung an den Zesummebroch vu mikroskopesche Blosen, wouduerch intensiv lokal Schéierkräften entstinn. Dëse Prozess hëlleft beim Emulgéiere vu Flëssegkeeten, déi sech net matenee vermësche loossen, a produzéiert stabil a fein dispergéiert Emulsiounen.
- Extraktioun: Duerch d’Schéierkräften, déi bei der Kavitatioun entstinn, sinn Ultraschallapparater héicheffizient beim Opbrieche vun Zellstrukturen a beim Verbessere vum Stofftransport tëscht Feststoff a Flëssegkeet. Dofir gëtt d’Ultraschallextraktioun vill benotzt, fir intrazelluläert Material wéi bioaktiv Verbindunge fräizesetzen, fir héichwäerteg Planzenextrakter ze produzéieren.
- Entgasung an Entlëftung: Ultraschallapparater mat Sond gi benotzt, fir Gasblosen oder opgeléist Gasen aus Flëssegkeeten ze entfernen. D’Uwendung vun Ultraschallkavitatioun fërdert d’Zesummefléisse vu Gasblosen, soudatt si wuessen an un d’Uewerfläch vun der Flëssegkeet klammen. D’Ultraschallkavitatioun mécht d’Entgasung zu engem séieren an effiziente Verfaren. Dëst ass a verschiddenen Industrieberäicher wäertvoll, zum Beispill bei Faarwen, Hydraulikflëssegkeeten oder bei der Veraarbechtung vu Liewensmëttel a Gedrénks, wou d’Präsenz vu Gasen d’Produktqualitéit an d’Stabilitéit negativ beaflosse kann.
- Sonokatalys: Ultraschallsonde kënne fir d’Sonokatalys agesat ginn, e Prozess, deen akustesch Kavitatioun mat Katalysatore kombinéiert, fir cheemesch Reaktiounen ze verstäerken. D’Kavitatioun, déi duerch Ultraschallwellen entsteet, verbessert de Stofftransport, erhéicht d’Reaktiounsvitessen a fërdert d’Bildung vu fräie Radikaler, wat zu méi effizienten a selektive cheemeschen Ëmwandlunge féiert.
- Prouwevirbereedung: Ultraschallapparater mat Sond ginn dacks a Laboratoirë fir d’Prouwevirbereedung agesat. Si gi benotzt, fir biologesch Prouwe wéi Zellen, Gewëss a Viren ze homogeniséieren, ze desaggregéieren an ze extrahéieren. D’Ultraschallenergie, déi vun der Sond generéiert gëtt, brécht d’Zellmembranen op, wouduerch den Zellinhalt fräigesat an déi weider Analys erliichtert gëtt.
- Desintegratioun an Zellopbroch: Ultraschallapparater mat Sond ginn agesat, fir Zellen a Gewëss fir verschidden Zwecker ze desintegréieren an opzebriechen, zum Beispill fir intrazellulär Bestanddeeler ze extrahéieren, Mikroorganismen ze inaktivéieren oder Prouwe fir d’Analys virzebereeden. D’Ultraschallwelle mat héijer Intensitéit an déi doduerch entstoend Kavitatioun verursaache mechanesch Belaaschtung a Schéierkräften, déi zur Desintegratioun vun den Zellstrukture féieren. An der biologescher Fuerschung an der medezinescher Diagnostik ginn Ultraschallapparater mat Sond fir d’Zelllys agesat, de Prozess, bei deem Zellen opgebrach ginn, fir hir intrazellulär Bestanddeeler fräizesetzen. D’Ultraschallenergie brécht Zellwänn, Membranen an Organellen op an erméiglecht esou d’Extraktioun vu Proteinnen, DNA, RNA an aneren zelluläre Bestanddeeler.
Dëst sinn e puer vun de wichtegsten Uwendunge vun Ultraschallapparater mat Sond, mee d’Technologie huet eng nach méi breet Palett vun aneren Asazméiglechkeeten, dorënner Sonochemie, Reduktioun vun der Partikelgréisst (Naassmuelen), Bottom-up-Partikelsynthes a Sonosynthes vu cheemesche Substanzen a Materialien a verschiddene Branchen, wéi der Pharmaindustrie, der Liewensmëttelveraarbechtung, der Biotechnologie an den Ëmweltwëssenschaften.
Eng Héichvitesssequenz (vun a bis f) vun Eenzelbilder, déi d’sonomechanesch Exfoliatioun vun enger Graphitflack am Waasser illustréiert mat Hëllef vum UP200S, engem 200W Ultraschallapparat mat enger 3-mm Sonotrod. D’Feiler weisen d’Plaz, wou d’Partikele sech splécken a Kavitatiounsblosen an de Spléck andréngen.
© Tyurnina et al. 2020
Profitéiert vun der Ultraschallkavitatioun!
D’Tabell hei drënner gëtt Iech en Iwwerbléck iwwer déi ongeféier Veraarbechtungskapazitéit vun eisen Ultraschallapparater:
| Chargevolumen | Duerchflossrate | Recommandéiert Apparater |
|---|---|---|
| 1 bis 500mL | 10 bis 200mL/min | UP100H |
| 10 bis 2000mL | 20 bis 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 bis 20L | 0,2 bis 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 bis 100L | 2 bis 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 bis 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | méi héich | e Grupp vun UIP16000 |
Video vun akustescher Kavitatioun a Flëssegkeet
De folgende Video weist akustesch Kavitatioun un der Cascatrode vum Ultraschallapparat UIP1000hdT an enger mat Waasser gefëllter Glaskolonn. D’Glaskolonn gëtt vun ënne mat routem Liicht beliicht, fir d’Kavitatiounsblosen besser siichtbar ze maachen.
Hielscher Ultrasonics produzéiert héichleeschtungsfäeg Ultraschallhomogenisateure fir Mëschuwendungen, Dispersioun, Emulgéierung an Extraktioun am Labo-, Pilot- an industrielle Moossstaf.
Heefeg gestallte Froen
Wat ass Ultraschallkavitatioun?
Ultraschallkavitatioun ass d’Bildung, de Wuesstem an de gewaltsamen Zesummebroch vu mikroskopesche Blosen an enger Flëssegkeet, déi Ultraschall mat héijer Intensitéit ausgesat ass. Den Zesummebroch vun dëse Blose schaaft eng intensiv lokal Schéierwierkung, Flëssegkeetsmikrostralen, Schockwellen, héich Drockgradienten a staark Mikromëschungseffekter.
Wat ass den Ënnerscheed tëscht Ultraschallkavitatioun an akustescher Kavitatioun?
Akustesch Kavitatioun ass den allgemenge Begrëff fir Kavitatioun, déi duerch Schallwelle verursaacht gëtt. Ultraschallkavitatioun ass akustesch Kavitatioun, déi duerch Ultraschallfrequenzen entsteet, typescherweis iwwer dem héierbare Beräich. Bei der industrieller Veraarbechtung vu Flëssegkeete gi béid Begrëffer dacks fir Kavitatioun benotzt, déi duerch Ultraschallapparater mat héijer Leeschtung produzéiert gëtt.
Wéi verbessert Ultraschallkavitatioun d’Veraarbechtung vu Flëssegkeeten?
D’Ultraschallkavitatioun verbessert d’Veraarbechtung vu Flëssegkeeten, andeems si intensiv mechanesch a cheemesch Effekter an der Flëssegkeet erzeugt. Déi mechanesch Effekter ënnerstëtzen d’Mëschen, d’Homogeniséierung, d’Emulgéierung, d’Deagglomeratioun vu Partikelen, d’Naassmuelen, d’Extraktioun an den Zellopbroch. A reaktive Systemer kann d’Kavitatioun och sonocheemesch Effekter fërderen an de Stofftransport verbesseren.
Bei wéi engen Uwendunge gëtt Ultraschallkavitatioun agesat?
D’Ultraschallkavitatioun gëtt fir d’Homogeniséieren, d’Dispergéieren, d’Emulgéieren, d’Nanoemulgéierung, d’Extraktioun, d’Entgasung, d’Deagglomeratioun, d’Verklengerung vu Partikelen, d’Zelllys, den Opbroch vu Mikroorganismen, d’Sonochemie, d’Sonokatalys an avancéiert Reaktiounen an der flësseger Phas agesat.
Firwat sinn Ultraschallapparater mat Sond effektiv fir d’Kavitatioun?
Ultraschallapparater mat Sond iwwerdroen d’Ultraschallenergie duerch eng Sonotrod direkt an d’Flëssegkeet. Dës direkt Energiekopplung erzeugt eng intensiv Kavitatiounszon no bei der Uewerfläch vun der Sond an erméiglecht et, wichteg Prozessparameter wéi d’Amplitüd, déi zougeféiert Leeschtung, d’Temperatur, den Drock an d’Veraarbechtungszäit präzis anzestellen.
Ass en Ultraschallbad fir staark Kavitatioun gëeegent?
Ultraschallbieder erzeugen zwar Kavitatioun, mee d’Energiedicht ass normalerweis vill méi niddreg a manner fokusséiert wéi bei engem Ultraschallapparat mat Sond. Bieder si fir d’Botzen a fir eng douce Behandlung nëtzlech, wärend Ultraschallapparater mat Sond fir reproduzéierbar Homogeniséierung, Extraktioun, Emulgéierung, Dispergéierung, Zellopbroch an industriell Veraarbechtung vu Flëssegkeete bevorzugt ginn.
Liest a kuckt, wéi Ultraschallapparater mat Sond an Ultraschallbieder sech ënnerscheeden!
Wéi eng Parameter beaflossen d’Intensitéit vun der Ultraschallkavitatioun?
Zu de wichtege Parametere gehéieren d’Amplitüd, d’Ultraschallleeschtung, d’Uewerfläch vun der Sonotrod, de Flëssegkeetsvolume, d’Viskositéit, de Feststoffgehalt, den Drock, d’Temperatur, d’Geometrie vum Behälter, d’Geometrie vun der Duerchflosszell, d’Duerchflossrate an d’Verweilzäit. Duerch d’Astelle vun dëse Parameteren kann d’Kavitatiounsintensitéit un d’Prozesszil ugepasst ginn.
Kann d’Ultraschallkavitatioun vum Labo op d’Produktioun eropskaléiert ginn?
Jo. Prozesser mat Ultraschallkavitatioun kënne mat Labovolummen entwéckelt an duerch d’Kontroll vun der Amplitüd, der zougeféierter Energie, der Sonotrodegeometrie, der Duerchflossrate an der Verweilzäit op de Pilot- oder industrielle Moossstaf iwwerdroe ginn. Hielscher bitt Ultraschallapparater a Reaktere fir Labotester, Pilotversich a kontinuéierlech industriell Produktioun un.
Literatur / Referenzen
- 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 stellt Héichleeschtungs-Ultraschallhomogenisateure vun der Labogréisst bis zur industrieller Gréisst hier.