Ultrasonics: lietojumprogrammas un procesi
Ultrasonication ir mehāniska apstrādes metode, kas rada akustisku kavitāciju un ļoti intensīvus fiziskos spēkus. Tāpēc ultrasonics tiek izmantots daudziem lietojumiem, piemēram, sajaukšanai, homogenizācijai, frēzēšanai, dispersijai, emulgācijai, ekstrakcijai, degazēšanai un sono-ķīmiskām reakcijām.
Zemāk jūs uzzināsiet visu par tipiskiem ultraskaņas lietojumiem un procesiem.
Ultraskaņas homogenizēšana
Ultraskaņas homogenizatori samazina mazās daļiņas šķidrumā, lai uzlabotu viendabīgumu un dispersijas stabilitāti. Daļiņas (disperģēšanas fāze) var būt cietas vielas vai šķidruma pilieni, kas suspendēti šķidrā fāzē. Ultraskaņas homogenizācija ir ļoti efektīva mīksto un cieto daļiņu samazināšanai. Hielscher ražo ultrasonikatorus jebkura šķidruma tilpuma homogenizācijai un partijas vai inline apstrādei. Laboratorijas ultraskaņas ierīces var izmantot tilpumiem no 1,5 ml līdz aptuveni 4L. Ultraskaņas rūpnieciskās ierīces var apstrādāt partijas no 0,5 līdz aptuveni 2000L vai plūsmas ātrumu no 0,1L līdz 20 kubikmetriem stundā procesu izstrādē un komerciālajā ražošanā.
Noklikšķiniet šeit, lai uzzinātu vairāk par ultraskaņas homogenizāciju!
Ultraskaņas izkliedēšana un deagglomerācija
Cieto vielu dispersija un deagglomerācija šķidrumos ir svarīgs zondes tipa ultrasonikatoru pielietojums. Ultraskaņas / akustiskā kavitācija rada augstus bīdes spēkus, kas sadala daļiņu aglomerātus atsevišķās, atsevišķās izkliedētās daļiņās. Pulveru sajaukšana šķidrumos ir izplatīts solis dažādu produktu, piemēram, krāsu, laku, kosmētikas līdzekļu, pārtikas un dzērienu vai pulēšanas līdzekļu, formulēšanā. Atsevišķās daļiņas satur kopā dažāda fizikāla un ķīmiska rakstura pievilkšanas spēki, ieskaitot van-der-Waals spēkus un šķidruma virsmas spraigumu. Ultrasonication pārvar šos piesaistes spēkus, lai deagglomerētu un izkliedētu daļiņas šķidrā vidē. Pulveru izkliedēšanai un deagglomerācijai šķidrumos, augstas intensitātes ultrasonication ir interesanta alternatīva augstspiediena homogenizatoriem, augstas bīdes maisītājiem, lodīšu dzirnavām vai rotora-statora maisītājiem.
Noklikšķiniet šeit, lai uzzinātu vairāk par ultraskaņas izkliedēšanu un deagglomerāciju!
Ultraskaņas emulgācija
Plašs starpproduktu un patēriņa produktu klāsts, piemēram, kosmētika un ādas losjoni, farmaceitiskās ziedes, lakas, krāsas, smērvielas un degvielas, pilnībā vai daļēji balstās uz emulsijām. Emulsijas ir divu vai vairāku nesajaucamu šķidro fāžu dispersijas. Ļoti intensīva ultraskaņa nodrošina pietiekami intensīvu bīdīšanu, lai izkliedētu šķidro fāzi (disperģēto fāzi) mazos pilienos otrajā fāzē (nepārtrauktā fāze). Izkliedēšanas zonā implodējošie kavitācijas burbuļi izraisa intensīvus trieciena viļņus apkārtējā šķidrumā un izraisa šķidruma strūklu veidošanos ar augstu šķidruma ātrumu (augstu bīdes). Ultrasonication var precīzi pielāgot mērķa emulsijas lielumam, ļaujot tādējādi droši ražot mikroemulsijas un nanoemulsijas.
Noklikšķiniet šeit, lai uzzinātu vairāk par ultraskaņas emulgāciju!

The UIP1000hdT ir 1000 vati spēcīgs ultrasonikators homogenizācijas, frēzēšanas un ekstrakcijas lietojumiem.
Ultraskaņas mitrā frēzēšana un slīpēšana
Ultrasonication ir efektīvs līdzeklis daļiņu mitrai frēzēšanai un mikroslīpēšanai. Jo īpaši, lai ražotu smalka izmēra vircas, ultraskaņai ir daudz priekšrocību. Tas ir pārāks par tradicionālajām izmēru samazināšanas iekārtām, piemēram: koloīdu dzirnavām (piemēram, lodīšu dzirnavām, pērlīšu dzirnavām), disku dzirnavām vai strūklas dzirnavām. Ultrasonication var apstrādāt augstas koncentrācijas un augstas viskozitātes vircas – tādējādi samazinot apstrādājamo tilpumu. Protams, ultraskaņas frēzēšana ir piemērota mikronu izmēra un nano izmēra materiālu apstrādei, piemēram, keramikai, pigmentiem, bārija sulfātam, kalcija karbonātam vai metāla oksīdiem. Jo īpaši, ja runa ir par nanomateriāliem, ultrasonication izceļas ar veiktspēju, jo tā ļoti ietekmējošie bīdes spēki rada vienmērīgi mazas nanodaļiņas.
Noklikšķiniet šeit, lai uzzinātu vairāk par ultraskaņas mitro frēzēšanu un mikroslīpēšanu!
Ultraskaņas šūnu sadalīšanās un līze
Ultraskaņas apstrāde var sadalīt šķiedru, celulozes materiālu smalkās daļiņās un salauzt šūnu struktūras sienas. Tas šķidrumā izdala vairāk intracelulārā materiāla, piemēram, cietes vai cukura. Šo efektu var izmantot fermentācijai, gremošanai un citiem organisko vielu pārejas procesiem. Pēc malšanas un slīpēšanas ultrasonication padara vairāk par iekšējo šūnu materiālu, piemēram, cieti, kā arī šūnu sienas atliekas, kas pieejamas fermentiem, kas cieti pārvērš cukuros. Tas arī palielina virsmas laukumu, kas pakļauts fermentiem sašķidrināšanas vai saharifikācijas laikā. Tas parasti palielina rauga fermentācijas un citu konversijas procesu ātrumu un ražu, piemēram, lai palielinātu etanola ražošanu no biomasas.
Noklikšķiniet šeit, lai uzzinātu vairāk par šūnu struktūru ultraskaņas sabrukumu!
Botānisko vielu ultraskaņas ekstrakcija
Bioaktīvo savienojumu, kas tiek uzglabāti šūnās un subcelulārajās daļiņās, ekstrakcija ir plaši izmantots augstas intensitātes ultraskaņas pielietojums. Ultraskaņas ekstrakcija tiek izmantota, lai izolētu sekundāros metabolītus (piemēram, polifenolus), polisaharīdus, olbaltumvielas, ēteriskās eļļas un citas aktīvās sastāvdaļas no augu un sēnīšu šūnu matricas. Piemērots organisko savienojumu ūdens un šķīdinātāju ekstrakcijai, ultraskaņas apstrāde ievērojami uzlabo augu vai sēklu botānisko vielu ražu. Ultraskaņas ekstrakcija tiek izmantota farmaceitisko līdzekļu, uztura bagātinātāju / uztura bagātinātāju, smaržvielu un bioloģisko piedevu ražošanai. Ultrasonics ir zaļa ekstrakcijas metode, ko izmanto arī bioaktīvo komponentu ekstrakcijai biorafinēšanas fabrikās, piemēram, atbrīvo vērtīgus savienojumus no neizmantotām blakusproduktu plūsmām, kas veidojas rūpnieciskos procesos. Ultrasonication ir ļoti efektīva tehnoloģija botāniskajai ekstrakcijai laboratorijā un ražošanas mērogā.
Noklikšķiniet šeit, lai iegūtu vairāk informācijas par ultraskaņas ekstrakciju!
Sonochemical pielietojums Ultrasonics
Sonochemistry ir ultraskaņas pielietošana ķīmiskām reakcijām un procesiem. Mehānisms, kas izraisa sonochemiskus efektus šķidrumos, ir akustiskās kavitācijas parādība. Sonoķīmiskā iedarbība uz ķīmiskām reakcijām un procesiem ietver reakcijas ātruma vai izlaides palielināšanos, efektīvāku enerģijas patēriņu, fāzes pārneses katalizatoru veiktspējas uzlabošanu, metālu un cietvielu aktivāciju vai reaģentu vai katalizatoru reaktivitātes palielināšanos.
Noklikšķiniet šeit, lai uzzinātu vairāk par ultraskaņas sonoķīmisko iedarbību!
Eļļas ultraskaņas pāresterificēšana biodīzeļdegvielai
Ultrasonication palielina ķīmiskās reakcijas ātrumu un augu eļļu un dzīvnieku tauku pāresterificēšanas iznākumu biodīzeļdegvielā. Tas ļauj mainīt ražošanu no partijas apstrādes uz nepārtrauktu plūsmas apstrādi, un tas samazina ieguldījumu un darbības izmaksas. Viena no galvenajām ultraskaņas biodīzeļdegvielas ražošanas priekšrocībām ir atkritumeļļu, piemēram, izlietotu cepamo eļļu un citu sliktas kvalitātes naftas avotu, izmantošana. Ultraskaņas pāresterificēšana var pārveidot pat zemas kvalitātes izejvielas par augstas kvalitātes biodīzeļdegvielu (taukskābju metilesteris / FAME). Biodīzeļdegvielas ražošana no augu eļļām vai dzīvnieku taukiem ietver taukskābju bāzes katalizētu pāresterificēšanu ar metanolu vai etanolu, lai iegūtu attiecīgos metilesterus vai etilesterus. Ultrasonication var sasniegt biodīzeļdegvielas ražu, kas pārsniedz 99%. Ultraskaņa ievērojami samazina apstrādes laiku un atdalīšanas laiku.
Noklikšķiniet šeit, lai uzzinātu vairāk par ultrasoniski atbalstītu eļļas pāresterificēšanu biodīzeļdegvielā!
Šķidrumu ultraskaņas degazēšana un deaerācija
Šķidrumu degazēšana ir vēl viens svarīgs zondes tipa ultrasonikatoru pielietojums. Ultraskaņas vibrācijas un kavitācija izraisa izšķīdušo gāzu saplūšanu šķidrumā. Tā kā minūtes gāzes burbuļi saplūst, tie veido lielākus burbuļus, kas ātri peld uz šķidruma augšējo virsmu, no turienes tos var noņemt. Tādējādi ultraskaņas degazēšana un atgaisošana var samazināt izšķīdušās gāzes līmeni zem dabiskā līdzsvara līmeņa.
Noklikšķiniet šeit, lai uzzinātu vairāk par šķidrumu ultraskaņas degazēšanu!
Ultraskaņas stiepļu, kabeļu un sloksņu tīrīšana
Ultraskaņas tīrīšana ir videi draudzīga alternatīva nepārtrauktu materiālu, piemēram, vadu un kabeļu, lentes vai cauruļu, tīrīšanai. Spēcīgās ultraskaņas kavitācijas efekts no materiāla virsmas noņem eļļošanas atlikumus, piemēram, eļļu vai taukus, ziepes, stearātus vai putekļus. Hielscher Ultrasonics piedāvā dažādas ultraskaņas sistēmas nepārtrauktu profilu inline tīrīšanai.
Noklikšķiniet šeit, lai iegūtu vairāk informācijas par nepārtrauktu profilu ultraskaņas tīrīšanu!
Sazinieties ar mums! / Jautājiet mums!
Kas padara ultraskaņu par izcilu apstrādes metodi?
Ultraskaņas apstrāde vai augstfrekvences skaņas viļņu izmantošana šķidrumu sajaukšanai ir efektīva apstrādes metode dažādu iemeslu dēļ. Šeit ir daži iemesli, kāpēc ultraskaņas apstrāde ar augstas intensitātes un zemu frekvenci aptuveni 20 kHz ir īpaši ietekmīga un izdevīga šķidrumu un vircas apstrādei:
- Kavitāciju: Viens no galvenajiem ultraskaņas apstrādes mehānismiem ir sīku burbuļu radīšana un sabrukums, parādība, ko sauc par kavitāciju. Pie 20kHz skaņas viļņi ir tieši pareizajā frekvencē, lai efektīvi izveidotu un sabruktu burbuļi. Šo burbuļu sabrukums rada augstas enerģijas triecienviļņus, kas var sadalīt daļiņas un traucēt šūnas šķidrumā, kas tiek apstrādāts ar ultraskaņu.
- Svārstības un vibrācija: Papildus radītajai akustiskajai kavitācijai ultraskaņas zondes svārstības rada papildu uzbudinājumu un sajaukšanos šķidrumā, tādējādi veicinot masas pārnesi un / vai degazēšanu.
- Izplatība: Skaņas viļņiem 20kHz frekvencē ir salīdzinoši garš viļņa garums, kas ļauj tiem dziļi iekļūt šķidrumos. Ultraskaņas kavitācija ir lokalizēta parādība, kas parādās ultraskaņas zondes apkārtnē. Palielinoties attālumam līdz zondei, kavitācijas intensitāte samazinās. Tomēr ultraskaņas apstrāde 20 kHz frekvencē var efektīvi apstrādāt lielākus šķidruma daudzumus, salīdzinot ar augstākas frekvences ultraskaņu, kurai ir īsāki viļņu garumi un kas var būt ierobežotāka iespiešanās dziļumā.
- Zems enerģijas patēriņš: Ultraskaņas apstrādi var veikt ar salīdzinoši zemu enerģijas patēriņu, salīdzinot ar citām apstrādes metodēm, piemēram, augstspiediena homogenizāciju vai mehānisku maisīšanu. Tas padara to par energoefektīvāku un rentablāku šķidrumu apstrādes metodi.
- Lineārā mērogojamība: Ultraskaņas procesus var mērogot pilnīgi lineāri līdz lielākiem vai mazākiem apjomiem. Tas padara procesa pielāgošanu ražošanā uzticamu, jo produktu kvalitāti var uzturēt nepārtraukti stabilu.
- Partijas un iekļautā plūsma: Ultrasonication var veikt kā partiju vai kā nepārtrauktus inline procesus. Partiju apstrādei ar ultraskaņu ultraskaņas zonde tiek ievietota atvērtā traukā vai slēgtā partijas reaktorā. Nepārtrauktas plūsmas plūsmas ultraskaņas apstrādei ir uzstādīta ultraskaņas plūsmas šūna. Šķidrā vide šķērso sonotrode (ultrasoniski vibrējošs stienis) vienā caurlaidē vai recirkulācijā un ir ļoti viendabīga un efektīva, pakļauta ultraskaņas viļņiem.
Kopumā intensīvie kavitācijas spēki, zems enerģijas patēriņš un procesa mērogojamība padara zemas frekvences, lieljaudas ultraskaņu par efektīvu šķidrumu apstrādes metodi.
Darba princips un ultraskaņas apstrādes izmantošana
Ultrasonication ir komerciāla apstrādes tehnoloģija, ko daudzas nozares ir pieņēmušas liela mēroga ražošanai. Augsta uzticamība un mērogojamība, kā arī zemas uzturēšanas izmaksas un augsta energoefektivitāte padara ultraskaņas procesorus par labu alternatīvu tradicionālajām šķidruma apstrādes iekārtām. Ultraskaņa piedāvā papildu aizraujošas iespējas: Kavitācija – pamata ultraskaņas efekts – rada unikālus rezultātus bioloģiskos, ķīmiskos un fizikālos procesos. Piemēram, ultraskaņas dispersija un emulgācija viegli rada stabilus nano izmēra preparātus. Arī botāniskās ekstrakcijas jomā ultraskaņa ir netermiska tehnika, lai izolētu bioaktīvos savienojumus.
Lai gan zemas intensitātes vai augstas frekvences ultraskaņu galvenokārt izmanto analīzei, nesagraujošai testēšanai un attēlveidošanai, šķidrumu un pastas apstrādei tiek izmantota augstas intensitātes ultraskaņa, kur intensīvi ultraskaņas viļņi tiek izmantoti sajaukšanai, emulģēšanai, izkliedēšanai un deagglomerācijai, šūnu sadalīšanai vai fermentu dezaktivācijai. Apstrādājot šķidrumus ar augstu intensitāti, skaņas viļņi izplatās caur šķidro vidi. Tā rezultātā mainās augstspiediena (kompresijas) un zema spiediena (retināšanas) cikli, kuru ātrums ir atkarīgs no frekvences. Zema spiediena cikla laikā augstas intensitātes ultraskaņas viļņi šķidrumā rada mazus vakuuma burbuļus vai tukšumus. Kad burbuļi sasniedz tilpumu, pie kura tie vairs nespēj absorbēt enerģiju, augstspiediena cikla laikā tie vardarbīgi sabrūk. Šo parādību sauc par kavitāciju. Implosijas laikā ļoti augsta temperatūra (aptuveni 5,000K) un spiediens (aptuveni 2,000atm) tiek sasniegti lokāli. Kavitācijas burbuļa implosija izraisa arī šķidruma strūklas līdz 280 metriem sekundē.
Ultraskaņas kavitācija šķidrumos var izraisīt ātru un pilnīgu degazēšanu; uzsākt dažādas ķīmiskas reakcijas, radot brīvos ķīmiskos jonus (radikāļus); paātrināt ķīmiskās reakcijas, veicinot reaģentu sajaukšanos; uzlabot polimerizācijas un depolimerizācijas reakcijas, izkliedējot agregātus vai neatgriezeniski pārraujot ķīmiskās saites polimēru ķēdēs; palielināt emulgācijas ātrumu; uzlabot difūzijas ātrumu; ražo ļoti koncentrētas emulsijas vai vienmērīgas mikronu izmēra vai nanoizmēra materiālu dispersijas; palīdz iegūt vielas, piemēram, fermentus no dzīvnieku, augu, rauga vai baktēriju šūnām; noņemt vīrusus no inficētajiem audiem; un, visbeidzot, noārdiet un noārdiet uzņēmīgās daļiņas, tostarp mikroorganismus. (sal. ar Kuldiloke 2002)
Augstas intensitātes ultraskaņa rada vardarbīgu uzbudinājumu zemas viskozitātes šķidrumos, ko var izmantot, lai izkliedētu materiālus šķidrumos. (sal. ar Ensminger, 1988) Šķidruma / cietas vai gāzes / cietas saskarnes kavitācijas burbuļu asimetriskā implosija var izraisīt ārkārtējas turbulences, kas samazina difūzijas robežslāni, palielina konvekcijas masas pārnesi un ievērojami paātrina difūziju sistēmās, kurās parasta sajaukšana nav iespējama. (sal. ar Nīborgu, 1965)
Literatūra
- Seyed Mohammad Mohsen Modarres-Gheisari, Roghayeh Gavagsaz-Ghoachani, Massoud Malaki, Pedram Safarpour, Majid Zandi (2019): Ultrasonic nano-emulsification – A review. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 52, 2019. 88-105.
- 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.
- Petigny L., Périno-Issartier S., Wajsman J., Chemat F. (2013): Batch and Continuous Ultrasound Assisted Extraction of Boldo Leaves (Peumus boldus Mol.). International Journal of Molecular Science 14, 2013. 5750-5764.
- Ensminger, D. E. (1988): Acoustic and electroacoustic methods of dewatering and drying, in: Drying Tech. 6, 473 (1988).
- Kuldiloke, J. (2002): Effect of Ultrasound, Temperature and Pressure Treatments on Enzyme Activity an Quality Indicators of Fruit and Vegetable Juices; Ph.D. Thesis at Technische Universität Berlin (2002).
- Nyborg, W.L. (1965): Acoustic Streaming, Vol. 2B, Academic Press, New York (1965).

Hielscher Ultrasonics ražo augstas veiktspējas ultraskaņas homogenizatorus no Lab līdz rūpnieciskais izmērs.