Ultrasone verwerking van vloeistoffen, slurries en chemische reacties

Sonicatie is een mechanische verwerkingsmethode die akoestische cavitatie en zeer intense fysieke krachten opwekt. Daarom wordt ultrasoon geluid gebruikt voor talrijke toepassingen, zoals mengen, homogeniseren, malen, dispergeren, emulgeren, extraheren, ontgassen en sonochemische reacties.

Zoek uw toepassing in de onderstaande tabel, klik op de link en ga direct naar het proces dat u interesseert! Ontdek hoe sonicatie het proces en de efficiëntie ervan verbetert.

Ultrasone homogenisatie

Ultrasone homogenisatoren verkleinen kleine deeltjes in een vloeistof om de uniformiteit en dispersiestabiliteit te verbeteren. De deeltjes (gedispergeerde fase) kunnen vaste stoffen of vloeistofdruppels zijn die in een vloeibare fase gesuspendeerd zijn. Ultrasoon homogeniseren is zeer efficiënt voor het verkleinen van zachte en harde deeltjes. Hielscher produceert sonicatoren voor het homogeniseren van elk vloeistofvolume en voor batch- of inline verwerking. Ultrasone laboratoriumapparaten kunnen worden gebruikt voor volumes van 1,5mL tot circa 4L. Industriële ultrasone apparaten kunnen bij procesontwikkeling en commerciële productie batches van 0,5 tot circa 2000L of debieten van 0,1L tot 20 kubieke meter per uur verwerken.
Ontdek de kracht van ultrasone homogenisatie!

Ultrasoon dispergeren en deagglomeratie

Het dispergeren en deagglomereren van vaste stoffen in vloeistoffen is een belangrijke toepassing van sonicatoren met een sonde. Ultrasone / akoestische cavitatie genereert hoge afschuifkrachten die deeltjesagglomeraten opbreken tot afzonderlijke, individueel gedispergeerde deeltjes. Het mengen van poeders in vloeistoffen is een gebruikelijke stap bij het formuleren van verschillende producten, zoals verf, lak, cosmetische producten, voedingsmiddelen en dranken of polijstmiddelen. De afzonderlijke deeltjes worden bij elkaar gehouden door aantrekkingskrachten van uiteenlopende fysische en chemische aard, waaronder van der Waals-krachten en de oppervlaktespanning van vloeistoffen. Sonicatie overwint deze aantrekkingskrachten om de deeltjes in vloeibare media te deagglomereren en te dispergeren. Voor het dispergeren en deagglomereren van poeders in vloeistoffen is sonicatie met hoge intensiteit een interessant alternatief voor hogedrukhomogenisatoren, mengers met hoge afschuiving, parelmolens of rotor-statormengers.
Lees uitgebreide informatie over ultrasoon dispergeren en deagglomeratie!

Ultrasoon emulgeren

Een breed scala aan tussenproducten en consumentenproducten, zoals cosmetica en huidlotions, farmaceutische zalven, lakken, verven, smeermiddelen en brandstoffen, is geheel of gedeeltelijk gebaseerd op emulsies. Emulsies zijn dispersies van twee of meer niet-mengbare vloeibare fasen. Ultrasoon geluid met zeer hoge intensiteit levert voldoende sterke afschuiving om een vloeibare fase (gedispergeerde fase) als kleine druppels in een tweede fase (continue fase) te dispergeren. In de dispergeerzone veroorzaken imploderende cavitatiebellen intense schokgolven in de omringende vloeistof en leiden ze tot de vorming van vloeistofstralen met een hoge vloeistofsnelheid (hoge afschuiving). Sonicatie kan nauwkeurig worden afgestemd op de beoogde druppelgrootte van de emulsie, waardoor micro-emulsies en nano-emulsies betrouwbaar kunnen worden geproduceerd.
Klik hier om meer te lezen over ultrasoon emulgeren!

Ultrasoon natmalen en fijnmalen

Sonicatie is een efficiënt middel voor het natmalen en microfijnmalen van deeltjes. Vooral voor de productie van slurries met superfijne deeltjes biedt ultrasoon geluid veel voordelen. Het is superieur aan traditionele apparatuur voor deeltjesverkleining, zoals colloïdmolens (bijv. kogelmolens, parelmolens), schijfmolens of straalmolens. Met sonicatie kunnen slurries met een hoge concentratie en hoge viscositeit worden verwerkt – waardoor het te verwerken volume afneemt. Uiteraard is ultrasoon malen geschikt voor het verwerken van materialen op micro- en nanoschaal, zoals keramiek, pigmenten, bariumsulfaat, calciumcarbonaat of metaaloxiden. Vooral bij nanomaterialen blinkt sonicatie uit in prestaties, doordat de zeer krachtige afschuifkrachten uniform kleine nanodeeltjes creëren.
Lees meer over ultrasoon natmalen en microfijnmalen!

Gesproeidroogd TiO2 vóór en na ultrasoon malen

Ultrasone celdesintegratie en lysis

Ultrasone behandeling kan vezelachtig, cellulosehoudend materiaal desintegreren tot fijne deeltjes en de wanden van de celstructuur openbreken. Hierdoor komt meer intracellulair materiaal, zoals zetmeel of suiker, vrij in de vloeistof. Dit effect kan worden gebruikt voor fermentatie, vergisting en andere omzettingsprocessen van organisch materiaal. Na het malen en fijnmalen maakt sonicatie meer intracellulair materiaal, bijvoorbeeld zetmeel, en celwandresten beschikbaar voor de enzymen die zetmeel omzetten in suikers. Ook vergroot sonicatie het oppervlak dat tijdens vloeibaarmaking of versuikering aan de enzymen wordt blootgesteld. Dit verhoogt doorgaans de snelheid en opbrengst van gistfermentatie en andere omzettingsprocessen, bijvoorbeeld om de ethanolproductie uit biomassa te verhogen.
Lees meer over de ultrasone desintegratie van celstructuren!

Ultrasone extractie van plantaardige stoffen

De extractie van bioactieve verbindingen die in cellen en subcellulaire deeltjes zijn opgeslagen, is een veelgebruikte toepassing van ultrasoon geluid met hoge intensiteit. Ultrasone extractie wordt gebruikt om secundaire metabolieten (bijv. polyfenolen), polysachariden, eiwitten, etherische oliën en andere actieve bestanddelen uit de cellulaire matrix van planten en schimmels te isoleren. Sonicatie is geschikt voor de extractie van organische verbindingen met water en oplosmiddelen en verbetert de opbrengst van plantaardige stoffen uit planten of zaden aanzienlijk. Ultrasone extractie wordt gebruikt voor de productie van geneesmiddelen, nutraceutica / voedingssupplementen, geurstoffen en biologische additieven. Ultrasone verwerking is een groene extractietechniek die ook wordt gebruikt voor de extractie van bioactieve componenten in bioraffinaderijen, bijvoorbeeld om waardevolle verbindingen vrij te maken uit ongebruikte bijproductstromen die bij industriële processen ontstaan. Sonicatie is een zeer effectieve technologie voor de extractie van plantaardige stoffen op laboratorium- en productieschaal.
Ontdek de voordelen van ultrasone extractie!

Sonochemische toepassing van ultrasoon geluid

Sonochemie is de toepassing van ultrasoon geluid bij chemische reacties en processen. Het mechanisme dat sonochemische effecten in vloeistoffen veroorzaakt, is het verschijnsel akoestische cavitatie. De sonochemische effecten op chemische reacties en processen omvatten een hogere reactiesnelheid of opbrengst, efficiënter energiegebruik, betere prestaties van faseoverdrachtskatalysatoren, activering van metalen en vaste stoffen of een verhoogde reactiviteit van reagentia of katalysatoren.
Ontdek de sonochemische effecten van ultrasoon geluid!

Ultrasone transesterificatie van (afval)olie tot biodiesel

Sonicatie verhoogt de chemische reactiesnelheid en opbrengst van de transesterificatie van plantaardige oliën en dierlijke vetten tot biodiesel. Hierdoor kan de productie worden omgeschakeld van batchverwerking naar verwerking in een continue stroom en dalen de investerings- en operationele kosten. Een van de belangrijkste voordelen van ultrasone biodieselproductie is het gebruik van afvaloliën, zoals gebruikte bak- en frituurolie en andere oliebronnen van lage kwaliteit. Ultrasone transesterificatie kan zelfs grondstoffen van lage kwaliteit omzetten in hoogwaardige biodiesel (vetzuurmethylester / FAME). Bij de productie van biodiesel uit plantaardige oliën of dierlijke vetten vindt de door een base gekatalyseerde transesterificatie van vetzuren met methanol of ethanol plaats, waarbij de overeenkomstige methylesters of ethylesters ontstaan. Met sonicatie kan een biodieselopbrengst van meer dan 99% worden bereikt. Ultrasoon geluid verkort de verwerkingstijd en de scheidingstijd aanzienlijk.
Klik hier om meer te lezen over de ultrasoon ondersteunde transesterificatie van olie tot biodiesel!

Ultrasoon ontgassen, ontluchten en ontschuimen van vloeistoffen

Het ontgassen van vloeistoffen is een andere belangrijke toepassing van sonicatoren met een sonde. Ultrasone trillingen en cavitatie veroorzaken de coalescentie van opgeloste gassen in een vloeistof. Wanneer de minuscule gasbellen samenvloeien, vormen ze grotere bellen die snel naar het vloeistofoppervlak opstijgen, waar ze kunnen worden verwijderd. Zo kunnen ultrasoon ontgassen en ontluchten het gehalte aan opgelost gas tot onder het natuurlijke evenwichtsniveau verlagen.
Klik hier om meer te lezen over het ultrasoon ontgassen van vloeistoffen!

Ultrasone reiniging van draden, kabels en strips

Ultrasone reiniging is een milieuvriendelijk alternatief voor het reinigen van doorlopende materialen, zoals draad en kabel, band of buizen. De krachtige ultrasone cavitatie verwijdert smeermiddelresten, zoals olie of smeervet, zeep, stearaten of stof van het materiaaloppervlak. Hielscher Ultrasonics biedt verschillende ultrasone systemen voor de inline reiniging van doorlopende profielen.
Klik hier voor meer informatie over de ultrasone reiniging van doorlopende profielen!

Wat maakt sonicatie tot een superieure verwerkingsmethode?

Sonicatie, of het gebruik van hoogfrequente geluidsgolven om vloeistoffen in beweging te brengen, is om verschillende redenen een efficiënte verwerkingsmethode. Hieronder staan enkele redenen waarom sonicatie met hoge intensiteit en een lage frequentie van circa 20kHz bijzonder effectief en voordelig is voor het verwerken van vloeistoffen en slurries:

1. Cavitatie: Een van de belangrijkste mechanismen van sonicatie is het ontstaan en imploderen van minuscule bellen, een verschijnsel dat cavitatie wordt genoemd. Bij 20kHz hebben de geluidsgolven precies de juiste frequentie om bellen efficiënt te laten ontstaan en imploderen. Het imploderen van deze bellen produceert energierijke schokgolven die deeltjes kunnen afbreken en cellen kunnen ontsluiten in de vloeistof die aan sonicatie wordt onderworpen.
2. Oscillatie en trilling: Naast de opgewekte akoestische cavitatie zorgt de oscillatie van de ultrasone sonde voor extra beweging en menging in de vloeistof, waardoor massaoverdracht en/of ontgassing worden bevorderd.
3. Penetratie: Geluidsgolven bij 20kHz hebben een relatief lange golflengte, waardoor ze diep in vloeistoffen kunnen doordringen. Ultrasone cavitatie is een plaatselijk verschijnsel dat in de omgeving van de ultrasone sonde optreedt. Naarmate de afstand tot de sonde groter wordt, neemt de cavitatie-intensiteit af. Sonicatie bij 20kHz kan echter grotere vloeistofvolumes efficiënt behandelen dan sonicatie met een hogere frequentie, die kortere golflengten heeft en mogelijk een beperktere penetratiediepte.
4. Laag energieverbruik: Sonicatie kan worden uitgevoerd met een relatief laag energieverbruik in vergelijking met andere verwerkingsmethoden, zoals hogedrukhomogenisatie of mechanisch roeren. Hierdoor is het een energie-efficiëntere en kosteneffectievere methode voor het verwerken van vloeistoffen.
5. Lineaire schaalbaarheid: Ultrasone processen kunnen volledig lineair worden opgeschaald of afgeschaald naar grotere of kleinere volumes. Dit maakt procesaanpassingen in de productie betrouwbaar, doordat de productkwaliteit voortdurend stabiel kan worden gehouden.
6. Batch en inline doorstroming: Sonicatie kan als batchproces of als continu inline proces worden uitgevoerd. Voor sonicatie van batches wordt de ultrasone sonde in het open vat of de gesloten batchreactor ingebracht. Voor sonicatie van een continue vloeistofstroom wordt een ultrasone doorstroomcel geïnstalleerd. Het vloeibare medium passeert de sonotrode (ultrasoon trillende staaf) in één doorgang of via recirculatie en wordt zeer gelijkmatig en efficiënt aan de ultrasone golven blootgesteld.

De intense cavitatiekrachten, het lage energieverbruik en de schaalbaarheid van het proces maken sonicatie met lage frequentie en hoog vermogen al met al tot een efficiënte methode voor het verwerken van vloeistoffen.

Werkingsprincipe en gebruik van ultrasone verwerking

Sonicatie is een commerciële verwerkingstechnologie die door talrijke industrieën voor grootschalige productie wordt gebruikt. De hoge betrouwbaarheid en schaalbaarheid, de lage onderhoudskosten en de hoge energie-efficiëntie maken ultrasone processoren tot een goed alternatief voor traditionele apparatuur voor vloeistofverwerking. Ultrasoon geluid biedt aanvullende, interessante mogelijkheden: cavitatie – het fundamentele ultrasone effect – levert unieke resultaten op in biologische, chemische en fysische processen. Zo kunnen met ultrasoon dispergeren en emulgeren eenvoudig stabiele formuleringen op nanoschaal worden geproduceerd. Ook bij de extractie van plantaardige stoffen is ultrasoon geluid een niet-thermische techniek om bioactieve verbindingen te isoleren.

Ultrasoon mengen is gebaseerd op akoestische cavitatie en de bijbehorende hydrodynamische afschuifkrachten.

Terwijl ultrasoon geluid met lage intensiteit of hoge frequentie voornamelijk wordt gebruikt voor analyse, niet-destructief onderzoek en beeldvorming, wordt ultrasoon geluid met hoge intensiteit gebruikt voor het verwerken van vloeistoffen en pasta’s. Daarbij worden intense ultrasone golven ingezet voor mengen, emulgeren, dispergeren en deagglomeratie, celdesintegratie of enzymdeactivering. Bij sonicatie van vloeistoffen met hoge intensiteit planten de geluidsgolven zich door de vloeibare media voort. Dit leidt tot afwisselende cycli van hoge druk (compressie) en lage druk (verdunning), waarvan het tempo afhankelijk is van de frequentie. Tijdens de lagedrukcyclus creëren ultrasone golven met hoge intensiteit kleine vacuümbellen of holtes in de vloeistof. Wanneer de bellen een volume bereiken waarbij ze geen energie meer kunnen absorberen, imploderen ze heftig tijdens een hogedrukcyclus. Dit verschijnsel wordt cavitatie genoemd. Tijdens de implosie worden lokaal zeer hoge temperaturen (circa 5.000K) en drukken (circa 2.000atm) bereikt. De implosie van de cavitatiebel leidt ook tot vloeistofstralen met snelheden tot 280 meter per seconde.

Ultrasone cavitatie in vloeistoffen kan snelle en volledige ontgassing veroorzaken; verschillende chemische reacties initiëren door vrije chemische ionen (radicalen) te genereren; chemische reacties versnellen door het mengen van reactanten te vergemakkelijken; polymerisatie- en depolymerisatiereacties versterken door aggregaten te dispergeren of chemische bindingen in polymeerketens permanent te verbreken; de emulgeersnelheid verhogen; de diffusiesnelheid verbeteren; sterk geconcentreerde emulsies of uniforme dispersies van materialen op micro- of nanoschaal produceren; de extractie van stoffen zoals enzymen uit dierlijke, planten-, gist- of bacteriecellen ondersteunen; virussen uit geïnfecteerd weefsel verwijderen; en ten slotte daarvoor vatbare deeltjes, waaronder micro-organismen, eroderen en afbreken. (cf. Kuldiloke 2002)

Ultrasoon geluid met hoge intensiteit veroorzaakt heftige beweging in vloeistoffen met lage viscositeit, wat kan worden gebruikt om materialen in vloeistoffen te dispergeren. (cf. Ensminger, 1988) Op vloeistof/vaste-stof- of gas/vaste-stof-grensvlakken kan de asymmetrische implosie van cavitatiebellen extreme turbulentie veroorzaken die de diffusiegrenslaag verkleint, de convectieve massaoverdracht verhoogt en de diffusie aanzienlijk versnelt in systemen waarin gewoon mengen niet mogelijk is. (cf. Nyborg, 1965)

Literatuur

• 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).