Toepassing van ultrageluid met ultrasone hoorns

Ultrasone hoorns of sondes worden op grote schaal gebruikt voor diverse vloeistofverwerkingstoepassingen, waaronder homogeniseren, dispergeren, nat malen, emulgeren, extraheren, desintegreren, oplossen en ontluchten. Leer de basis over ultrasone hoorns, ultrasone sondes en hun toepassingen.

Ultrasone hoorn vs ultrasone sonde

Vaak worden de termen ultrasone hoorn en sonde door elkaar gebruikt en verwijzen ze naar de ultrasone staaf die de ultrageluidsgolven in de vloeistof uitzendt. 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.
Zowel de hoorn als de sonde verwijzen naar onderdelen van de zogenaamde ultrasone transducer van het sonde-type. De ultrasone hoorn is het metalen deel van de ultrasone transducer, die wordt geëxciteerd door middel van piëzo-elektrisch opgewekte trillingen. De ultrasone hoorn trilt met een bepaalde frequentie, bijvoorbeeld 20 kHz, wat 20.000 trillingen per seconde betekent. Titanium is het materiaal bij uitstek voor de vervaardiging van ultrasone hoorns vanwege de uitstekende akoestische transmissie-eigenschappen, de robuuste vermoeiingssterkte en de oppervlaktehardheid.

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 bevestigd. De ultrasone sonde is een essentieel onderdeel van de ultrasone processor, die de ultrasone golven in het gesoneerde medium overbrengt. Ultrasone sondes / sonotrodes zijn in verschillende vormen (bijv. conisch, getipt, conisch 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 verkrijgbaar.

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

Ultrasone apparaten met hoge prestaties werken meestal in het frequentiebereik van 20-30 kHz. Bij 20 kHz is de ultrasone sonde meestal een halve golflengte lange resonantiestaaf die constant 20.000 keer per seconde uitzet en samentrekt. De uitzettings- en krimpbewegingen worden als ultrageluid met een hoog vermogen doorgegeven aan het procesmedium, d.w.z. vloeistof of slurry, om te voldoen aan toepassingen zoals

• ultrasoon mengen met hoge schuifkracht
• ultrasoon nat malen
• ultrasone dispersie van nanodeeltjes
• ultrasone nano-emulsificatie
• ultrasone extractie
• Ultrasone desintegratie
• ultrasone celdisruptie en -lyse
• ultrasone ontgassing en ontluchting
• sonochemie (sonosynthese, sonokatalyse)

Hoe werkt ultrageluid? – Het werkingsprincipe van akoestische cavitatie

Voor hoogwaardige ultrasone toepassingen zoals homogenisatie, deeltjesgroottevermindering, desintegratie of nanodispersies wordt ultrasoon geluid met hoge intensiteit en lage frequentie gegenereerd door een ultrasone transducer en via een ultrasone hoorn en sonde (sonotrode) in een vloeistof overgebracht. Ultrasoon geluid met een hoog vermogen wordt beschouwd als ultrasoon geluid in het bereik van 16-30 kHz. De ultrasone sonde zet uit en krimpt bijvoorbeeld bij 20 kHz, waardoor respectievelijk 20.000 trillingen per seconde in het medium worden overgebracht. Wanneer de ultrasone golven door de vloeistof bewegen, ontstaan er door afwisselend hoge-druk (compressie) / lage-druk (rarefactie / expansie) cycli minuscule holtes (vacuümbelletjes), die gedurende meerdere drukcycli groeien. Tijdens de compressiefase van de vloeistof en de bellen is de druk positief, terwijl de rarefactiefase een vacuüm (negatieve druk) produceert. Tijdens de compressie-expansiecycli groeien de holtes in de vloeistof tot ze een grootte bereiken waarop ze geen energie meer kunnen absorberen. Op dat moment imploderen ze heftig. Het imploderen van die holtes resulteert in verschillende zeer energetische effecten, die bekend staan als het fenomeen van akoestische / ultrasone cavitatie. Akoestische cavitatie wordt gekenmerkt door verschillende hoogenergetische effecten die invloed hebben op vloeistoffen, vaste stof/vloeistof-systemen en gas/vloeistof-systemen. De energiedichte zone of cavitatiezone staat bekend als de zogenaamde hotspotzone, die het meest energiedicht is in de nabijheid van de ultrasone sonde en afneemt met toenemende afstand van de sonotrode. De belangrijkste kenmerken van ultrasone cavitatie zijn plaatselijk optredende zeer hoge temperaturen en drukken en bijbehorende verschillen, turbulenties en vloeistofstroming. Tijdens de implosie van ultrasone holtes in ultrasone hot-spots kunnen temperaturen tot 5000 Kelvin, drukken tot 200 atmosfeer en vloeistofstralen tot 1000 km/u gemeten worden. Deze buitengewone energie-intensieve omstandigheden dragen bij aan sonomechanische en sonochemische effecten die processen en chemische reacties op verschillende manieren intensiveren.
De belangrijkste effecten van ultrasoonbehandeling op vloeistoffen en slurries zijn de volgende:

• Hoge afschuiving: Ultrasone krachten met hoge schuifkrachten verstoren vloeistoffen en vloeistof-vaste systemen en veroorzaken intense agitatie, homogenisatie en massaoverdracht.
• Impact: Vloeistofstralen en stromingen die worden gegenereerd door ultrasone cavitatie versnellen vaste stoffen in vloeistoffen, wat vervolgens leidt tot botsingen tussen deeltjes. Wanneer de deeltjes met zeer hoge snelheden botsen, eroderen ze, versplinteren ze en worden ze fijn gemalen en gedispergeerd, vaak tot op nanogrootte. Voor biologisch materiaal, zoals plantaardig materiaal, verstoren de vloeistofstralen met hoge snelheid en wisselende drukcycli de celwanden en komt het intracellulaire materiaal vrij. Dit resulteert in een zeer efficiënte extractie van bioactieve stoffen en het homogeen mengen van biologisch materiaal.
• Agitatie: Ultrasoonbehandeling veroorzaakt intense turbulenties, schuifkrachten en microbewegingen in de vloeistof of slurry. Hierdoor intensiveert sonicatie altijd de massaoverdracht en versnelt daardoor reacties en processen.

Ultrasone homogenisatoren en high-shear mixers worden gebruikt in bijna elke procesindustrie die met vloeistoffen of slurries werkt. De intense ultrasone cavitatiekrachten zorgen voor intense agitatie, afschuiving, deeltjesbreuk en massaoverdracht. Hierdoor worden vloeistoffen gehomogeniseerd, gedispergeerd, geëmulgeerd, geëxtraheerd, opgelost en/of chemische reacties in gang gezet. In het algemeen is ultrasoonbehandeling een procesintensiverende methode die de opbrengst verhoogt, de omzettingssnelheid verbetert en processen efficiënter maakt.
Veelvoorkomende ultrasone toepassingen in de industrie zijn verspreid over vele takken van de voedingsmiddelenindustrie & farma, fijnchemie, energie & petrochemie, recycling, bioraffinaderijen, enz. en omvatten het volgende:

• ultrasone biodieselsynthese
• ultrasone homogenisering van vruchtensappen
• ultrasone productie van vaccins
• ultrasone recycling van Li-ion-batterijen
• ultrasone synthese van nanomaterialen
• ultrasone formulering van geneesmiddelen
• ultrasone nano-emulgering van CBD
• ultrasone extractie van plantaardige stoffen
• 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 ervaren fabrikant en distributeur van krachtige ultrasone apparaten die wereldwijd worden gebruikt voor zware toepassingen in vele industrieën.
Met ultrasone processoren in alle maten van 50 watt tot 16 kW 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.
De onderstaande tabel geeft een indicatie van de verwerkingscapaciteit van onze ultrasone machines: