Ultrasoon is een mechanische verwerkingsmethode die akoestische cavitatie en zeer intense fysieke krachten creëert. Daarom wordt ultrasoontechniek gebruikt voor talrijke toepassingen zoals mengen, homogeniseren, malen, dispergeren, emulgeren, extractie, ontgassen en sono-chemische reacties.
Hieronder komt u alles te weten over typische ultrasone toepassingen en processen.

ultrasone Homogeniseren

Ultrasone homogenisatoren verkleinen kleine deeltjes in een vloeistof om de uniformiteit en de dispersiestabiliteit te verbeteren. De deeltjes (dispersiefase) kunnen vaste stoffen zijn of vloeistofdruppeltjes die in een vloeistoffase zweven. Ultrasoon homogeniseren is zeer efficiënt voor het verkleinen van zachte en harde deeltjes. Hielscher produceert ultrasoonapparaten voor het homogeniseren van elk vloeibaar volume en voor batch- of inline-verwerking. Ultrasone apparaten voor laboratoriumgebruik kunnen worden gebruikt voor volumes van 1,5mL tot ca. 4L. Ultrasone industriële apparaten kunnen batches verwerken van 0,5 tot ca. 2000L of debieten van 0,1L tot 20 kubieke meter per uur in procesontwikkeling en in commerciële productie.
Klik hier voor meer informatie over ultrasone homogeniseren lezen!

Ultrasone Dispersing en Deagglomeration

De dispersie en deagglomeratie van vaste stoffen in vloeistoffen is een belangrijke toepassing van ultrasone sondetoestellen. Ultrasone/akoestische cavitatie genereert hoge afschuifkrachten die de deeltjesagglomeraten breken in individuele, afzonderlijk gedispergeerde deeltjes. Het mengen van poeders in vloeistoffen is een gebruikelijke stap in de formulering van diverse producten, zoals verf, vernis, cosmetische producten, voedingsmiddelen en dranken, of polijstmiddelen. De afzonderlijke deeltjes worden bijeengehouden door aantrekkingskrachten van uiteenlopende fysische en chemische aard, waaronder van-der-Waals-krachten en vloeistofoppervlaktespanning. Ultrasoonbehandeling heft deze aantrekkingskrachten op om de deeltjes in vloeibare media te deagglomereren en te dispergeren. 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 voor meer informatie over ultrasoon dispergeer- en deagglomeratie lezen!

ultrasone Emulgeren

Een groot aantal tussen- en consumentenproducten, zoals cosmetica en huidlotions, farmaceutische zalven, vernissen, verven en smeermiddelen en brandstoffen zijn geheel of gedeeltelijk gebaseerd op emulsies. Emulsies zijn dispersies van twee of meer niet-mengbare vloeistoffasen. Zeer intensief ultrageluid zorgt voor voldoende intense afschuiving om een vloeibare fase (gedispergeerde fase) in kleine druppeltjes te dispergeren in een tweede fase (continue fase). In de dispergeerzone veroorzaken imploderende cavitatiebellen intensieve schokgolven in de omringende vloeistof en resulteren in de vorming van vloeistofstralen met hoge vloeistofsnelheid (hoge afschuiving). Ultrasoonbehandeling kan precies worden afgestemd op de beoogde emulsiegrootte, waardoor betrouwbare micro- en nano-emulsies kunnen worden geproduceerd.
Klik hier voor meer informatie over ultrasone emulgering lezen!

Ultrasone Wet-frezen en slijpen

Ultrasoonbehandeling is een efficiënt middel voor het nat malen en micromalen van deeltjes. In het bijzonder voor de vervaardiging van superfijne slurries heeft ultrageluid vele voordelen. Het is superieur aan traditionele apparatuur voor het verkleinen van de grootte, zoals: colloïdmolens (b.v. kogelmolens, kraalmolens), schijvenmolens of straalmolens. Ultrasoon malen kan slurries met een hoge concentratie en een hoge viscositeit verwerken, waardoor het te verwerken volume kleiner wordt. Uiteraard is ultrasoon malen geschikt voor het verwerken van materialen met micron- en nanogrootte, zoals keramiek, pigmenten, bariumsulfaat, calciumcarbonaat of metaaloxiden. Vooral wanneer het om nanomaterialen gaat, blinkt ultrasoon malen uit in prestaties, omdat de zeer impactvolle afschuifkrachten gelijkmatig kleine nanodeeltjes creëren.
Klik hier voor meer informatie over ultrasoon nat frezen en micro-slijpen lezen!

Ultrasone celdisintegratie en lysis

Ultrasone behandeling kan vezelig, cellulosemateriaal in fijne deeltjes uiteen doen vallen 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 vermalen maakt ultrasoonbehandeling meer van het intracellulaire materiaal, bijvoorbeeld zetmeel, alsook de celwandresten, beschikbaar voor de enzymen die zetmeel omzetten in suikers. Hierdoor wordt ook het oppervlak vergroot dat aan de enzymen wordt blootgesteld tijdens het vloeibaar maken of de versuikering. Dit verhoogt typisch de snelheid en het rendement van gistfermentatie en andere conversieprocessen, bijvoorbeeld om de ethanolproductie uit biomassa op te voeren.
Klik hier voor meer informatie over de ultrasone desintegratie van celstructuren lezen!

ultrasone extractie van botanische producten

De extractie van bioactieve verbindingen 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 (bv. polyfenolen), polysacchariden, eiwitten, essentiële oliën en andere actieve bestanddelen uit de celmatrix van planten en schimmels te isoleren. Geschikt voor water- en solventextractie van organische verbindingen, verbetert sonificatie 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 bij industriële processen worden gevormd. Ultrasoon is een zeer effectieve technologie voor botanische extractie op laboratorium- en productieschaal.
Klik hier voor meer informatie over ultrasone extractie!

Sonochemische Toepassing van Ultrasonics

Sonochemie is de toepassing van ultrageluid op chemische reacties en processen. Het mechanisme dat sonochemische effecten in vloeistoffen veroorzaakt, is het verschijnsel van akoestische cavitatie. De sonochemische effecten op chemische reacties en processen omvatten verhoging van de reactiesnelheid of het reactievermogen, efficiënter energiegebruik, verbetering van de prestaties van faseovergangskatalysatoren, activering van metalen en vaste stoffen of verhoging van de reactiviteit van reagentia of katalysatoren.
Klik hier voor meer informatie over de sonochemische effecten van ultrageluid lezen!

Ultrasone transverestering van olie in Biodiesel

Ultrasoonbehandeling verhoogt de chemische reactiesnelheid en het rendement van de omestering van plantaardige oliën en dierlijke vetten tot biodiesel. Hierdoor kan de productie worden omgeschakeld van batchverwerking naar continue stroomverwerking en kunnen de investerings- en bedrijfskosten worden verlaagd. Een van de grote voordelen van ultrasone biodieselproductie is het gebruik van afvaloliën zoals afgewerkte bak- en braadoliën en andere oliebronnen van slechte kwaliteit. Ultrasone omestering kan zelfs grondstof van lage kwaliteit omzetten in biodiesel van hoge kwaliteit (vetzuurmethylester / FAME). Bij de productie van biodiesel uit plantaardige oliën of dierlijke vetten worden vetzuren met methanol of ethanol omgeësterd door een basegekatalyseerde omestering om de overeenkomstige methylesters of ethylesters te verkrijgen. Met ultrasoonbehandeling kan een biodieselopbrengst van meer dan 99% worden bereikt. Ultrasoon geluid verkort de verwerkingstijd en de scheidingstijd aanzienlijk.
Klik hier voor meer informatie over de ultrasoon bijgestaan ​​verestering van olie in biodiesel te lezen!

Ultrasone ontgassing en ontluchting van vloeistoffen

Ontgassing van vloeistoffen is een andere belangrijke toepassing van ultrasone sondetoestellen. Ultrasone trillingen en cavitatie veroorzaken het samensmelten van opgeloste gassen in een vloeistof. Wanneer de minuscule gasbellen samensmelten, vormen zij grotere bellen die snel naar de bovenkant van de vloeistof drijven en daar kunnen worden verwijderd. Aldus kan door ultrasone ontgassing en ontgassing het niveau van opgelost gas tot onder het natuurlijke evenwichtsniveau worden verlaagd.
Klik hier voor meer informatie over de ultrasone ontgassen van vloeistoffen lezen!

Ultrasone Draad, kabel en Strip Schoonmaak

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

Wat maakt Sonicatie tot een superieure verwerkingsmethode?

Sonificatie, of het gebruik van hoogfrequente geluidsgolven 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 doeltreffend en voordelig is voor de verwerking van vloeistoffen en slurries:

1. Cavitatie: Een van de belangrijkste mechanismen van sonicatie is het ontstaan en uiteenvallen van kleine belletjes, een fenomeen dat cavitatie wordt genoemd. Bij 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 in de gesoneerde vloeistof kunnen verstoren.
2. Oscillatie en vibratie: Naast de opgewekte 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 zij diep in vloeistoffen kunnen doordringen. Ultrasone cavitatie is een gelokaliseerd verschijnsel dat optreedt in de omgeving van de ultrasone sonde. Met toenemende afstand tot de sonde neemt de cavitatie-intensiteit af. Sonicatie bij 20 kHz kan echter efficiënt grotere vloeistofvolumes behandelen, vergeleken met sonicatie bij hogere frequentie, die een kortere golflengte heeft en beperkter kan zijn in haar penetratiediepte.
4. Laag energieverbruik: Sonicatie 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 de verwerking 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 voortdurend stabiel kan worden gehouden.
6. Batch en inline stroom: 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 de sonificatie van een continue stroom wordt een ultrasone stroomcel geïnstalleerd. Het vloeibare medium passeert de sonotrode (ultrasoon trillende staaf) in één keer of in recirculatie en wordt zeer gelijkmatig 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 om vloeistoffen te verwerken.

Werkingsprincipe en gebruik van ultrasone verwerking

Ultrasoonbehandeling is een commerciële verwerkingstechnologie die door talrijke industrieën voor grootschalige productie is ingevoerd. De hoge betrouwbaarheid en schaalbaarheid, alsmede de lage onderhoudskosten en hoge energie-efficiëntie maken ultrasone processoren tot een goed alternatief voor traditionele vloeistofverwerkingsapparatuur. Ultrasoon geluid biedt extra opwindende mogelijkheden: Cavitatie - het basiseffect van ultrasoon geluid - levert unieke resultaten op in biologische, chemische en fysische processen. Zo levert ultrasone dispersie en emulsificatie gemakkelijk stabiele formuleringen van nanogrootte op. Ook op het gebied van botanische extractie is ultrageluid een niet-thermische techniek om bioactieve verbindingen te isoleren.

Terwijl ultrasoon geluid met lage intensiteit of hoge frequentie hoofdzakelijk 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, uiteenvallen van cellen of deactivering van enzymen. Bij het soniceren van vloeistoffen bij hoge intensiteit planten de geluidsgolven zich voort door de vloeibare media. Dit resulteert in afwisselend hoge-druk- (compressie) en lage-druk- (rarefactie) cycli, met snelheden die afhangen van de frequentie. Tijdens de lagedrukcyclus creëren ultrasone golven met hoge intensiteit kleine vacuümbelletjes of holten in de vloeistof. Wanneer de belletjes een volume hebben bereikt waarop zij geen energie meer kunnen absorberen, storten zij tijdens een hogedrukcyclus met geweld ineen. Dit verschijnsel wordt cavitatie genoemd. Tijdens de implosie worden plaatselijk zeer hoge temperaturen (ca. 5.000 K) en drukken (ca. 2.000atm) 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; diverse 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 verspreidingssnelheid te verbeteren; sterk geconcentreerde emulsies of uniforme dispersies van materialen van micro- of nanogrootte te produceren; te helpen bij de extractie van stoffen zoals enzymen uit dierlijke, plantaardige, gist- of bacteriecellen; virussen uit geïnfecteerd weefsel te verwijderen; en tenslotte vatbare deeltjes, waaronder micro-organismen, te eroderen en af te breken. (cf. Kuldiloke 2002)

Ultrasoon geluid met hoge intensiteit veroorzaakt hevige agitatie in vloeistoffen met lage viscositeit, die kan worden gebruikt om materialen in vloeistoffen te dispergeren. (vgl. Ensminger, 1988) Aan vloeistof/vaste stof of gas/vaste stof grensvlakken kan de asymmetrische implosie van cavitatiebellen extreme turbulenties veroorzaken die de diffusiegrenslaag verminderen, de convectie-massaoverdracht verhogen en de diffusie aanzienlijk versnellen in systemen waar gewone menging 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).