Ultrasoon: Toepassingen en processen

Ultrasoon is een mechanische verwerkingsmethode die akoestische cavitatie en zeer intense fysieke krachten creëert. Daarom wordt ultrasoontechniek gebruikt voor talloze toepassingen zoals mengen, homogeniseren, malen, dispergeren, emulgeren, extraheren, ontgassen en sonochemische reacties.
Hieronder leest u alles over typische ultrasone toepassingen en processen.

ultrasoon homogeniseren

Ultrasone homogenisatoren verkleinen kleine deeltjes in een vloeistof om de uniformiteit en dispersiestabiliteit te verbeteren. De deeltjes (disperse fase) kunnen vaste deeltjes zijn of vloeistofdruppels gesuspendeerd in een vloeibare fase. Ultrasoon homogeniseren is zeer efficiënt voor het verkleinen van zachte en harde deeltjes. Hielscher produceert ultrasone apparaten voor het homogeniseren van elk vloeibaar volume en voor batch- of inlineverwerking. Ultrasone apparaten voor laboratoria kunnen worden gebruikt voor volumes van 1,5mL tot ca. 4L. Industriële ultrasone apparaten kunnen batches verwerken van 0,5 tot ca. 2000 liter of debieten van 0,1 liter tot 20 kubieke meter per uur voor procesontwikkeling en commerciële productie.
Klik hier om meer te lezen over ultrasoon homogeniseren!

Ultrasoon dispergeren en deagglomereren

Het dispergeren en deagglomereren van vaste deeltjes in vloeistoffen is een belangrijke toepassing van ultrasone sondetoestellen. Ultrasone/akoestische cavitatie genereert hoge schuifkrachten die deeltjesagglomeraten breken in afzonderlijke, gedispergeerde deeltjes. Het mengen van poeders in vloeistoffen is een veel voorkomende stap in de formulering van diverse producten, zoals verf, vernis, cosmetische producten, voedsel en dranken of polijstmiddelen. De afzonderlijke deeltjes worden bij elkaar gehouden door aantrekkingskrachten van verschillende fysische en chemische aard, waaronder van-der-Waals-krachten en oppervlaktespanning van vloeistoffen. Ultrasoon geluid overwint deze aantrekkingskrachten om de deeltjes te deagglomereren en te dispergeren in vloeibare media. Voor het dispergeren en deagglomereren van poeders in vloeistoffen is ultrasoonbehandeling met hoge intensiteit een interessant alternatief voor hogedrukhomogenisatoren, high shear-mengers, parelmolens of rotor-stator-mengers.
Klik hier om meer te lezen over ultrasoon dispergeren en deagglomereren!

ultrasone emulsificatie

Een groot aantal tussen- en consumentenproducten, zoals cosmetica en huidlotions, farmaceutische zalven, vernissen, verven, smeermiddelen en brandstoffen zijn geheel of gedeeltelijk gebaseerd op emulsies. Emulsies zijn dispersies van twee of meer niet-mengbare vloeibare fasen. Zeer intensief ultrageluid levert voldoende intense afschuiving om een vloeibare fase (gedispergeerde fase) te dispergeren in kleine druppeltjes in een tweede fase (continue fase). In de dispergerende zone veroorzaken imploderende cavitatiebellen intensieve schokgolven in de omringende vloeistof en resulteren ze in de vorming van vloeistofstralen met een hoge vloeistofsnelheid (hoge afschuiving). Ultrasoonbehandeling kan nauwkeurig worden aangepast aan de doelgrootte van de emulsie, waardoor een betrouwbare productie van micro-emulsies en nano-emulsies mogelijk is.
Klik hier om meer te lezen over ultrasoon emulgeren!

Ultrasoon nat malen en malen

Ultrasoon geluid is een efficiënt middel voor het nat malen en micromalen van deeltjes. Vooral voor de productie van slurries met superfijne afmetingen heeft ultrasoon geluid veel voordelen. Het is superieur aan traditionele apparatuur voor het verkleinen van de deeltjesgrootte, zoals colloïdmolens (bijv. kogelmolens, parelmolens), schijvenmolens of straalmolens. Ultrasoon malen kan slurries met een hoge concentratie en hoge viscositeit verwerken, waardoor het te verwerken volume kleiner wordt. Natuurlijk is ultrasoon malen geschikt voor het verwerken van materialen met micron- en nanogrootte, zoals keramiek, pigmenten, bariumsulfaat, calciumcarbonaat of metaaloxiden. Vooral als het gaat om nanomaterialen, blinkt ultrasoon uit in prestaties omdat de zeer impactvolle schuifkrachten uniform kleine nanodeeltjes creëren.
Klik hier om meer te lezen over ultrasoon nat malen en microslijpen!

Sproeidroog TiO2 voor en na ultrasoon malen

Ultrasone celdesintegratie en -lyse

Ultrasone behandeling kan vezelig, cellulosehoudend materiaal desintegreren in fijne deeltjes en de wanden van de celstructuur breken. Hierdoor komt meer van het intracellulaire materiaal, zoals zetmeel of suiker, vrij in de vloeistof. Dit effect kan worden gebruikt voor fermentatie, spijsvertering en andere omzettingsprocessen van organisch materiaal. Na het malen en malen maakt ultrasoonbehandeling meer van het intracellulaire materiaal, zoals zetmeel en celwandresten, beschikbaar voor de enzymen die zetmeel omzetten in suikers. Het vergroot ook het oppervlak dat wordt blootgesteld aan de enzymen tijdens de vloeibaarmaking of versuikering. Dit verhoogt de snelheid en opbrengst van gistfermentatie en andere conversieprocessen, bijvoorbeeld om de ethanolproductie uit biomassa te verhogen.
Klik hier om meer te lezen over de ultrasone desintegratie van celstructuren!

ultrasone extractie van plantaardige stoffen

De extractie van bioactieve stoffen die zijn opgeslagen in cellen en subcellulaire deeltjes is een veelgebruikte toepassing van ultrasoon geluid met hoge intensiteit. Ultrasone extractie wordt gebruikt om secundaire metabolieten (bijv. polyfenolen), polysacchariden, eiwitten, essentiële oliën en andere actieve bestanddelen uit de celmatrix van planten en schimmels te isoleren. Sonicatie is geschikt voor water- en oplosmiddelextractie van organische verbindingen en verbetert de opbrengst van plantaardige stoffen in planten of zaden aanzienlijk. Ultrasone extractie wordt gebruikt voor de productie van geneesmiddelen, nutraceuticals / voedingssupplementen, geurstoffen en biologische additieven. Ultrasoon is een groene extractietechniek die ook wordt gebruikt voor de extractie van bioactieve componenten in bioraffinaderijen, bijvoorbeeld om waardevolle verbindingen vrij te maken uit niet-gebruikte bijproductstromen die ontstaan in industriële processen. Ultrasoon is een zeer effectieve technologie voor botanische extractie op laboratorium- en productieschaal.
Klik hier voor meer informatie over ultrasone extractie!

Sonochemische toepassing van ultrageluid

Sonochemie is de toepassing van ultrageluid op chemische reacties en processen. Het mechanisme dat sonochemische effecten in vloeistoffen veroorzaakt is het fenomeen van akoestische cavitatie. De sonochemische effecten op chemische reacties en processen omvatten verhoging van de reactiesnelheid of -output, efficiënter energiegebruik, prestatieverbetering van faseoverdrachtskatalysatoren, activering van metalen en vaste stoffen of verhoging van de reactiviteit van reagentia of katalysatoren.
Klik hier om meer te lezen over de sonochemische effecten van ultrageluid!

Ultrasone omestering van olie tot biodiesel

Ultrasoon geluid verhoogt de chemische reactiesnelheid en het rendement van de omestering van plantaardige oliën en dierlijke vetten in biodiesel. Hierdoor kan de productie worden omgeschakeld van batchverwerking naar continue stroomverwerking en worden de investerings- en operationele kosten verlaagd. Een van de grootste voordelen van ultrasone biodieselproductie is het gebruik van afvalolie zoals afgewerkte bakolie en andere oliebronnen van slechte kwaliteit. Ultrasone transesterificatie kan zelfs grondstoffen van lage kwaliteit omzetten in biodiesel van hoge kwaliteit (vetzuurmethylester / FAME). Bij de productie van biodiesel uit plantaardige oliën of dierlijke vetten vindt een basisgekatalyseerde omestering van vetzuren met methanol of ethanol plaats om de bijbehorende methylesters of ethylesters te verkrijgen. Ultrasoon gebruik kan een biodieselopbrengst van meer dan 99% opleveren. Ultrasoon geluid verkort de verwerkingstijd en de scheidingstijd aanzienlijk.
Klik hier om meer te lezen over de ultrasoon ondersteunde omestering van olie in biodiesel!

Ultrasoon ontgassen en ontluchten van vloeistoffen

Het ontgassen van vloeistoffen is een andere belangrijke toepassing van ultrasone sondetoestellen. Ultrasone trillingen en cavitatie veroorzaken het samenklonteren van opgeloste gassen in een vloeistof. Als de minuscule gasbelletjes samenklonteren, vormen ze grotere belletjes die snel naar het bovenoppervlak van de vloeistof drijven en daar verwijderd kunnen worden. Zo kan ultrasoon ontgassen en ontluchten het niveau van opgelost gas verlagen tot onder het natuurlijke evenwichtsniveau.
Klik hier om meer te lezen over ultrasoon ontgassen van vloeistoffen!

Ultrasone reiniging van draad, kabel en strips

Ultrasoon reinigen is een milieuvriendelijk alternatief voor het reinigen van continue materialen, zoals draad en kabel, tape of buizen. Het effect van de krachtige ultrasone cavitatie verwijdert smeerresten zoals olie of vet, zepen, stearaten of stof van het materiaaloppervlak. Hielscher Ultrasonics biedt verschillende ultrasone systemen voor het inline reinigen van doorlopende profielen.
Klik hier voor meer informatie over ultrasoon reinigen van doorlopende profielen!

Wat maakt sonificatie tot een superieure verwerkingsmethode?

Sonificatie, of het gebruik van geluidsgolven met een hoge frequentie om vloeistoffen te roeren, is om verschillende redenen een efficiënte verwerkingsmethode. Hier volgen enkele redenen waarom sonificatie met een hoge intensiteit en een lage frequentie van ongeveer 20 kHz bijzonder effectief en voordelig is voor het verwerken van vloeistoffen en slurries:

1. Cavitatie: Een van de belangrijkste mechanismen van sonicatie is het creëren en laten instorten van kleine belletjes, een fenomeen dat cavitatie wordt genoemd. Met 20 kHz hebben de geluidsgolven precies de juiste frequentie om efficiënt bellen te creëren en te laten instorten. Het uiteenspatten van deze belletjes produceert hoge energie schokgolven, die deeltjes kunnen afbreken en cellen kunnen verstoren in de vloeistof die gesoneerd wordt.
2. Oscillatie en trilling: Naast de gegenereerde akoestische cavitatie zorgt de oscillatie van de ultrasone sonde voor extra agitatie en menging in de vloeistof, waardoor de massaoverdracht en/of ontgassing wordt bevorderd.
3. Penetratie: Geluidsgolven van 20 kHz hebben een relatief lange golflengte, waardoor ze diep in vloeistoffen kunnen doordringen. Ultrasone cavitatie is een gelokaliseerd fenomeen dat optreedt in de omgeving van de ultrasone sonde. Met toenemende afstand tot de sonde neemt de cavitatie-intensiteit af. Sonicatie met 20 kHz kan echter efficiënt grotere vloeistofvolumes behandelen, vergeleken met sonicatie met een hogere frequentie die een kortere golflengte heeft en beperkter kan zijn in de penetratiediepte.
4. Laag energieverbruik: Sonificatie kan worden uitgevoerd met een relatief laag energieverbruik in vergelijking met andere verwerkingsmethoden zoals hogedrukhomogenisatie of mechanisch roeren. Dit maakt het een meer energie-efficiënte en kosteneffectieve methode voor het verwerken van vloeistoffen.
5. Lineaire schaalbaarheid: Ultrasone processen kunnen volledig lineair worden geschaald naar grotere of kleinere volumes. Dit maakt procesaanpassingen in de productie betrouwbaar omdat de productkwaliteit continu stabiel kan worden gehouden.
6. Batch- en inline flow: Ultrasoonbehandeling kan worden uitgevoerd als batchproces of als continu inline proces. Voor de sonificatie van batches wordt de ultrasone sonde in het open vat of de gesloten batchreactor ingebracht. Voor sonificatie van een continue stroom wordt een ultrasone flowcel geïnstalleerd. Het vloeibare medium passeert de sonotrode (ultrasoon trillende staaf) in enkele passage of recirculatie en wordt zeer uniform en efficiënt blootgesteld aan de ultrasone golven.

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

Werkingsprincipe en gebruik van ultrasone verwerking

Ultrasoonverwerking is een commerciële verwerkingstechnologie die door tal van industrieën wordt gebruikt voor grootschalige productie. De hoge betrouwbaarheid, schaalbaarheid, lage onderhoudskosten en hoge energie-efficiëntie maken ultrasone processoren tot een goed alternatief voor traditionele apparatuur voor het verwerken van vloeistoffen. Ultrasoon geluid biedt nog meer spannende mogelijkheden: Cavitatie - het basiseffect van ultrasoon geluid - levert unieke resultaten op in biologische, chemische en fysische processen. Zo produceert ultrasone dispersie en emulsificatie gemakkelijk stabiele formuleringen van nanogrootte. Ook op het gebied van botanische extractie is ultrasoon geluid een niet-thermische techniek om bioactieve verbindingen te isoleren.

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 de verwerking van vloeistoffen en pasta's, waarbij intense ultrasone geluidsgolven worden gebruikt voor mengen, emulgeren, dispergeren en deagglomereren, desintegratie van cellen of deactivering van enzymen. Bij het sonificeren van vloeistoffen met hoge intensiteit planten de geluidsgolven zich voort door de vloeibare media. Dit resulteert in afwisselende hogedrukcycli (compressie) en lagedrukcycli (rarefactie), waarbij de snelheid afhankelijk is van de frequentie. Tijdens de lagedrukcyclus creëren ultrasone golven met hoge intensiteit kleine vacuümbellen of holtes in de vloeistof. Wanneer de belletjes een volume bereiken waarbij ze geen energie meer kunnen absorberen, storten ze heftig in elkaar tijdens een hogedrukcyclus. Dit fenomeen wordt cavitatie genoemd. Tijdens de implosie worden plaatselijk zeer hoge temperaturen (ongeveer 5.000 K) en drukken (ongeveer 2.000 atm) bereikt. De implosie van de cavitatiebel resulteert ook in vloeistofstralen met een snelheid tot 280 meter per seconde.

Ultrasone cavitatie in vloeistoffen kan snelle en volledige ontgassing veroorzaken; verschillende chemische reacties op gang brengen door vrije chemische ionen (radicalen) te genereren; chemische reacties versnellen door het mengen van reactanten te vergemakkelijken; polymerisatie- en depolymerisatiereacties verbeteren door aggregaten te dispergeren of door chemische bindingen in polymeerketens permanent te verbreken; de emulgatiesnelheid te verhogen; de diffusiesnelheid te verbeteren; sterk geconcentreerde emulsies of uniforme dispersies van micro- of nanomaterialen te produceren; te helpen bij de extractie van stoffen zoals enzymen uit dierlijke, plantaardige, gist- of bacteriecellen; virussen uit geïnfecteerd weefsel te verwijderen; en tot slot vatbare deeltjes, waaronder micro-organismen, te eroderen en af te breken. (cf. Kuldiloke 2002)

Ultrasoon geluid met hoge intensiteit produceert hevige agitatie in vloeistoffen met lage viscositeit, wat gebruikt kan worden om materialen in vloeistoffen te dispergeren. (cf. Ensminger, 1988) Op vloeistof/vaste of gas/vaste grensvlakken kan de asymmetrische implosie van cavitatiebellen extreme turbulenties veroorzaken die de diffusiegrenslaag verkleinen, de convectiemassaoverdracht verhogen en de diffusie aanzienlijk versnellen in systemen waar gewone menging niet mogelijk is. (Vgl. Nyborg, 1965)

Literatuur