Toepassing van hoogvermogenultrageluid met ultrasone hoorns

Ultrasone hoorns of sondes worden veelvuldig gebruikt voor uiteenlopende toepassingen bij de verwerking van vloeistoffen, waaronder homogenisatie, dispergeren, natmalen, emulgering, extractie, desintegratie, oplossen en ontluchten. Leer de basisprincipes van ultrasone hoorns, ultrasone sondes en hun toepassingen kennen.

Ultrasone hoorn versus ultrasone sonde

De termen ultrasone hoorn en sonde worden vaak door elkaar gebruikt en verwijzen naar de ultrasone staaf die de ultrageluidsgolven in de vloeistof overbrengt. Andere termen die voor de ultrasone sonde worden gebruikt, zijn akoestische hoorn, sonotrode, akoestische golfgeleider of ultrasone vinger. Technisch gezien bestaat er echter een verschil tussen een ultrasone hoorn en een ultrasone sonde.
Zowel de hoorn als de sonde verwijst naar onderdelen van de zogenoemde sonicator met sonde. De ultrasone hoorn is het metalen onderdeel van de ultrasone transducer dat door piëzo-elektrisch opgewekte trillingen in trilling wordt gebracht. De ultrasone hoorn trilt met een bepaalde frequentie, bijvoorbeeld 20kHz, wat 20.000 trillingen per seconde betekent. Titanium is het voorkeursmateriaal voor de vervaardiging van ultrasone hoorns vanwege zijn uitstekende akoestische overdrachtseigenschappen, zijn hoge vermoeiingssterkte en zijn oppervlaktehardheid.

De ultrasone sonde wordt ook sonotrode of ultrasone vinger genoemd. Het is een metalen staaf, meestal gemaakt van titanium, die met een schroefdraadverbinding aan de ultrasone hoorn is bevestigd. De ultrasone sonde is een essentieel onderdeel van de ultrasone processor dat de ultrageluidsgolven overbrengt in het medium dat aan sonicatie wordt onderworpen. Ultrasone sondes / sonotroden zijn verkrijgbaar in verschillende vormen (bijvoorbeeld conisch, met een punt, taps toelopend of als Cascatrode). Hoewel titanium het meest gebruikte materiaal voor ultrasone sondes is, zijn er ook sonotroden van roestvast staal, keramiek, glas en andere materialen verkrijgbaar.

Aangezien de ultrasone hoorn en sonde tijdens sonicatie voortdurend onder druk- of trekbelasting staan, is de materiaalkeuze voor de hoorn en sonde cruciaal. Een hoogwaardige titaniumlegering (grade 5) wordt beschouwd als het meest betrouwbare, duurzame en effectieve metaal om belasting te weerstaan, gedurende lange tijd hoge amplitudes te handhaven en de akoestische en mechanische eigenschappen over te brengen.

Oplossen is een veelvoorkomende toepassing van ultrasone behandeling. De video demonstreert hoe suikerkristallen met de Hielscher UP200St snel in water worden opgelost.

Sonicatoren met hoge prestaties werken meestal in het frequentiebereik van 20–30kHz. Bij 20 kHz is de ultrasone sonde doorgaans een resonerende staaf met een lengte van een halve golflengte, die voortdurend 20.000 keer per seconde uitzet en samentrekt. De uitzettings- en samentrekkingsbewegingen worden als hoogvermogenultrageluid overgebracht in het procesmedium, dat wil zeggen een vloeistof of slurry, om toepassingen uit te voeren zoals

• ultrasoon mengen met hoge afschuiving
• ultrasoon natmalen
• ultrasone dispersie van nanodeeltjes
• ultrasone nano-emulgering
• ultrasone extractie
• ultrasone desintegratie
• ultrasone celontsluiting en lysis
• ultrasoon ontgassen en ontluchten
• sonochemie (sonosynthese, sonokatalyse)

Hoe werkt hoogvermogenultrageluid? – Het werkingsprincipe van akoestische cavitatie

Voor ultrasone toepassingen met hoge prestaties zoals homogenisatie, verkleining van de deeltjesgrootte, desintegratie of nanodispersies wordt ultrageluid met een hoge intensiteit en lage frequentie opgewekt door een ultrasone transducer en via een ultrasone hoorn en sonde (sonotrode) overgebracht in een vloeistof. Ultrageluid in het bereik van 16–30kHz wordt beschouwd als hoogvermogenultrageluid. De ultrasone sonde zet uit en trekt samen, bijvoorbeeld bij 20kHz, en brengt daarmee 20.000 trillingen per seconde over in het medium. Wanneer de ultrageluidsgolven zich door de vloeistof voortplanten, creëren afwisselende cycli van hoge druk (compressie) / lage druk (verdunning / expansie) minuscule holtes (vacuümbellen), die gedurende meerdere drukcycli groeien. Tijdens de compressiefase van de vloeistof en de bellen is de druk positief, terwijl de verdunningsfase een vacuüm (negatieve druk) veroorzaakt. Tijdens de compressie-expansiecycli groeien de holtes in de vloeistof totdat ze een grootte bereiken waarbij ze geen verdere energie kunnen absorberen. Op dat moment imploderen ze hevig. De implosie van deze holtes leidt tot verschillende zeer energierijke effecten, die bekendstaan als het verschijnsel akoestische / ultrasone cavitatie. Akoestische cavitatie wordt gekenmerkt door uiteenlopende zeer energierijke effecten die invloed hebben op vloeistoffen, vastestof/vloeistofsystemen en gas/vloeistofsystemen. De energiedichte zone of cavitatiezone staat bekend als de zogenoemde hotspotzone, waarvan de energiedichtheid het hoogst is in de directe nabijheid van de ultrasone sonde en afneemt met toenemende afstand tot de sonotrode. De belangrijkste kenmerken van ultrasone cavitatie zijn lokaal optredende zeer hoge temperaturen en drukken en de bijbehorende verschillen, turbulentie en vloeistofstroming. Tijdens de implosie van ultrasone holtes in ultrasone hotspots kunnen temperaturen tot 5000 Kelvin, drukken tot 200 atmosfeer en vloeistofstralen met snelheden tot 1000km/h worden gemeten. Deze uitzonderlijke, zeer energierijke omstandigheden dragen bij aan sonomechanische en sonochemische effecten die processen en chemische reacties op verschillende manieren intensiveren.
De belangrijkste effecten van sonicatie op vloeistoffen en slurries zijn de volgende:

• Hoge afschuiving: Ultrasone krachten met hoge afschuiving verstoren vloeistoffen en vloeistof-vastestofsystemen en veroorzaken intensieve beweging, homogenisatie en massaoverdracht.
• Impact: Vloeistofstralen en stroming die door ultrasone cavitatie worden opgewekt, versnellen vaste stoffen in vloeistoffen, wat vervolgens leidt tot botsingen tussen deeltjes. Wanneer deeltjes met zeer hoge snelheden botsen, eroderen en verbrijzelen ze en worden ze fijngemalen en fijn gedispergeerd, vaak tot op nanoschaal. Bij biologisch materiaal, zoals plantaardige materialen, doorbreken de snelle vloeistofstralen en afwisselende drukcycli de celwanden en komt het intracellulaire materiaal vrij. Dit resulteert in een zeer efficiënte extractie van bioactieve verbindingen en een homogene menging van biologisch materiaal.
• Beweging: Sonicatie veroorzaakt intense turbulentie, afschuifkrachten en microbewegingen in de vloeistof of slurry. Daardoor intensiveert sonicatie altijd de massaoverdracht en versnelt ze daarmee reacties en processen.

Ultrasone homogenisatoren en mengers met hoge afschuiving worden gebruikt in vrijwel elke verwerkende industrie die met vloeistoffen of slurries werkt. De intense ultrasone cavitatiekrachten veroorzaken intensieve beweging, afschuiving, deeltjesbreuk en massaoverdracht. Daardoor worden vloeistoffen gehomogeniseerd, gedispergeerd, geëmulgeerd, geëxtraheerd, opgelost en/of worden chemische reacties geïnitieerd. Over het geheel genomen is sonicatie een methode voor procesintensivering die de opbrengst verhoogt, de conversiegraden verbetert en processen efficiënter maakt.
Gangbare ultrasone toepassingen in de industrie zijn verspreid over vele sectoren, waaronder voeding & farmacie, fijnchemie, energie & petrochemie, recycling, bioraffinaderijen enz., en omvatten het volgende:

• ultrasone biodieselsynthese
• ultrasone homogenisatie van vruchtensappen
• ultrasone productie van vaccins
• ultrasone recycling van Li-ionbatterijen
• ultrasone synthese van nanomaterialen
• ultrasone formulering van geneesmiddelen
• ultrasone nano-emulgering van CBD
• ultrasone extractie van plantaardige materialen
• ultrasone monstervoorbereiding in laboratoria
• ultrasoon ontgassen van vloeistoffen
• ultrasone ontzwaveling van ruwe olie
• en nog veel meer …

Ultrasone hoorns en sondes voor toepassingen met hoge prestaties

Hielscher Ultrasonics is een fabrikant en distributeur met jarenlange ervaring in sonicatoren met hoog vermogen, die wereldwijd worden gebruikt voor zware toepassingen in vele industrieën.
Met ultrasone processors in alle formaten, van 50 watt tot 16kW per apparaat, sondes in verschillende maten en vormen en ultrasone reactoren met verschillende volumes en geometrieën beschikt Hielscher Ultrasonics over de juiste apparatuur om de ideale ultrasone opstelling voor uw toepassing te configureren.
De onderstaande tabel geeft u een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze sonicatoren: