Toepassing van Power Ultrasound met behulp van Ultrasone Hoorns

Ultrasone hoorns of sondes worden op grote schaal gebruikt voor verdeelvloeistofverwerkingstoepassingen zoals homogenisatie, dispergeren, natmalen, emulgeren, extractie, desintegratie, oplossen en ontluchting. Leer de basis over ultrasone hoorns, ultrasone sondes en hun toepassingen.

Ultrasone Hoorn vs. Ultrasone Sonde

Vaak worden de term ultrasone hoorn en sonde door elkaar gebruikt en verwijzen ze naar de ultrasone staaf die de ultrasone golven in de vloeistof overbrengt. Andere termen die worden gebruikt voor de ultrasone sonde zijn akoestische hoorn, sonotrode, akoestische golfgeleider of ultrasone vinger. Technisch gezien is er echter een verschil tussen een ultrasone hoorn en een ultrasone sonde.
Beide, hoorn en sonde, verwijzen naar delen van de zogenaamde sonde-type ultrasonicator. De ultrasone hoorn is het metalen deel van de ultrasone transducer, die wordt opgewekt door piëzo-elektrisch opgewekte trillingen. De ultrasone hoorn trilt met een bepaalde frequentie, bijvoorbeeld 20kHz, wat neerkomt op 20.000 trillingen per seconde. Titanium is het favoriete materiaal voor de fabricage van ultrasone hoorns vanwege de uitstekende akoestische transmissie-eigenschappen, de robuuste vermoeiingssterkte en de hardheid van het oppervlak.

De ultrasone sonde wordt ook wel sonotrode of ultrasone vinger genoemd. Het is een metalen staaf, meestal gemaakt van titanium, die aan de ultrasone hoorn wordt geregen. De ultrasone sonde is een essentieel onderdeel van de ultrasone processor, die de ultrasone golven in het sonische medium overbrengt. Ultrasone sondes / sonotrodes zijn in verschillende vormen (bijv. conisch, getipt, taps toelopend of als Cascatrode) verkrijgbaar. Hoewel titanium het meest gebruikte materiaal is voor ultrasone sondes, zijn er ook sonotrodes van roestvrij staal, keramiek, glas en andere materialen beschikbaar.

Aangezien de ultrasone hoorn en sonde tijdens het sonisch onderzoek onder constante druk of spanning staan, is de materiaalkeuze van hoorn en sonde van cruciaal belang. Hoogwaardige titanium legering (graad 5) wordt beschouwd als de meest betrouwbare, duurzame en effectieve metaal om de spanning te weerstaan, om hoge amplitudes gedurende lange perioden te ondersteunen en om de akoestische en mechanische eigenschappen over te brengen.

Ultrasone sonde die olie-in-water emulgeert via vermogensechografie

Krachtige ultrasonicatoren werken meestal in het frequentiebereik van 20-30kHz. Bij 20 kHz is de ultrasone sonde meestal een halve golflengte lange resonantiestaaf, die zich voortdurend uitbreidt en 20.000 keer per seconde krimpt. De expansie- en samentrekbewegingen worden als high-power ultrasoon geluid in het procesmedium, d.w.z. vloeistof of drijfmest, overgebracht om te voldoen aan toepassingen zoals

• ultrasoon hoogschermprofielmenging
• ultrasone nat malen
• ultrasone dispersie van nanodeeltjes
• Ultrasone Nano-Emulsificatie
• Ultrasone extractie
• Ultrasone desintegratie
• ultrasone celverstoring en lysis
• ultrasone ontgassing en ontluchting
• sonochemie (sonosynthese, sonokatalyse)

Hoe werkt Power Ultrasound? – Het werkingsprincipe van de akoestische cavitatie

Voor hoogwaardige ultrasone toepassingen, zoals homogenisatie, vermindering van de deeltjesgrootte, desintegratie of nano-dispersies, wordt ultrasoon geluid met hoge intensiteit en lage frequentie gegenereerd door een ultrasone transducer en via ultrasone hoorn en sonde (sonotrode) in een vloeistof overgebracht. High-power ultrasoon geluid wordt beschouwd als ultrasoon geluid in het bereik van 16-30kHz. De ultrasone sonde breidt zich uit en samentrekt bijvoorbeeld bij 20kHz, waardoor er respectievelijk 20.000 trillingen per seconde in het medium worden overgebracht. Wanneer de ultrasone golven door de vloeistof reizen, creëren afwisselend hoge druk (compressie) / lage druk (zeldzaamheid / expansie) cycli minieme holtes (vacuümbellen), die gedurende meerdere drukcycli groeien. Tijdens de compressiefase van de vloeistof en de luchtbellen is de druk positief, terwijl de zeldzame rooifase een vacuüm (negatieve druk) produceert. Tijdens de compressie-expansiecycli groeien de holtes in de vloeistof tot ze een grootte bereiken, waarbij ze geen verdere energie meer kunnen absorberen. Op dit punt imploderen ze heftig. De implosie van die caviteiten resulteert in verschillende zeer energetische effecten, die bekend staan als het fenomeen van de akoestische / ultrasone cavitatie. Akoestische cavitatie wordt gekenmerkt door veelvuldige, zeer energetische effecten, die zowel op vloeistoffen, vaste/vloeistof-systemen als op gas/vloeistof-systemen inwerken. De energiedichte zone of cavitatiezone staat bekend als de zogenaamde hot-spotzone, die het meest energiedicht is in de nabije omgeving van de ultrasone sonde en afneemt met toenemende afstand tot de sonotrode. De belangrijkste kenmerken van ultrasone cavitatie zijn onder andere plaatselijk voorkomende zeer hoge temperaturen en drukken en respectievelijke verschillen, turbulenties en vloeistofstromingen. Tijdens de implosie van ultrasone caviteiten in ultrasone hotspots kunnen temperaturen tot 5000 Kelvin, drukken tot 200 atmosfeer en vloeistofstralen tot 1000 km/u worden gemeten. Deze uitstekende energie-intensieve omstandigheden dragen bij aan sonomechanische en sonochemische effecten die processen en chemische reacties op verschillende manieren intensiveren.
De belangrijkste impact van ultrasone trillingen op vloeistoffen en slurries zijn de volgende:

• Hoogheid: Ultrasone hoge schuifkrachten verstoren vloeistoffen en vloeistof-vaste systemen en veroorzaken intense agitatie, homogenisatie en massaoverdracht.
• Impact: Vloeistofstralen en -stromen die door ultrasone cavitatie worden gegenereerd, versnellen vaste stoffen in vloeistoffen, wat vervolgens leidt tot een interparticuliere botsing. Wanneer deeltjes met zeer hoge snelheden botsen, eroderen ze, versplinteren ze en worden ze fijngemalen en gedispergeerd, vaak tot op nanogrootte. Voor biologische materie zoals plantaardige materialen verstoren de hoge snelheidsvloeistofstralen en de wisselende drukcycli de celwanden en laten ze het intracellulaire materiaal vrij. Dit resulteert in een zeer efficiënte extractie van bioactieve stoffen en een homogene vermenging van biologisch materiaal.
• Agitatie: Ultrasonicatie veroorzaakt intense turbulenties, schuifkrachten en microbewegingen in de vloeistof of drijfmest. Hierdoor intensiveert sonicatie altijd de massatransfer en versnelt daardoor reacties en processen.

Ultrasone homogenisatoren en high-shear mixers worden gebruikt in bijna elke verwerkende industrie, die werkt met vloeistoffen of slurries. De intense ultrasone cavitatiekrachten zorgen voor intense agitatie, afschuiving, deeltjesbreuk en massaoverdracht. Daarbij worden vloeistoffen gehomogeniseerd, gedispergeerd, geëmulgeerd, geëxtraheerd, opgelost en/of worden chemische reacties op gang gebracht. Over het geheel genomen is ultrasoonreiniging een procesintensieve methode die de opbrengst verhoogt, de omzettingsgraad verbetert en de processen efficiënter maakt.
Veel voorkomende ultrasone toepassingen in de industrie zijn verspreid over vele takken van de levensmiddelenindustrie & farma, fijnchemie, energie & petrochemie, recycling, bioraffinaderijen, etc. en omvatten het volgende:

• ultrasone biodieselsynthese
• ultrasone homogenisering van vruchtensappen
• ultrasone productie van vaccins
• ultrasone Li-Ionenbatterij recycling
• ultrasone synthese van nanomaterialen
• Ultrasone formulering van geneesmiddelen
• ultrasone nano-emulsificatie van CBD
• ultrasone extractie van botanische producten
• ultrasone monstervoorbereiding in laboratoria
• ultrasone ontgassing van vloeistoffen
• ultrasone ontzwaveling van ruwe olie
• en nog veel meer...

Ultrasone hoorns en sondes voor hoogwaardige toepassingen

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