Ultrasone cavitatie in vloeistoffen
Ultrasone cavitatie vormt de drijvende kracht achter ultrasone vloeistofbehandeling met hoge intensiteit. Wanneer krachtige ultrasone golven in een vloeistof worden ingebracht, vormen zich microscopisch kleine dampbellen die groeien en vervolgens met geweld instorten. Deze akoestische cavitatie creëert intense lokale schuifkrachten, microjets, schokgolven, drukveranderingen en micro-mengingseffecten die homogenisatie, dispersie, emulgering, extractie, ontgassing, celverstoring en sonochemische reacties kunnen versnellen.
De sondesonators van Hielscher maken gebruik van gecontroleerde akoestische cavitatie om ultrasone energie rechtstreeks over te brengen naar vloeistoffen, suspensies en slurries. Van kleine laboratoriummonsters tot continue industriële doorstroomproductie: met de systemen van Hielscher kunt u de amplitude, de geometrie van de sonotrode, de druk, de temperatuur, het debiet en de verblijftijd aanpassen voor reproduceerbare cavitatieresultaten.
- Voor laboratoria: sonicatieparameters in kleine volumes ontwikkelen en optimaliseren.
- Voor proeffabrieken: cavitatieprocessen onder realistische procesomstandigheden valideren.
- Voor de productie: ultrasone cavitatie op schaal toepassen in batch-, recirculatie- of continue inline-processen.
Geef ons informatie over uw vloeistof, batchvolume of doorstroomsnelheid, viscositeit, gehalte aan vaste stoffen, temperatuurgrenzen en het beoogde procesresultaat. Wij zullen u dan de optimale configuratie van ultrasone transducer, sonotrode en doorstroomcel aanbevelen voor uw cavitatie-toepassing.
Ultrasone apparaten met sonde, zoals de UP400St gebruiken het werkingsprincipe van akoestische cavitatie.
Het werkingsprincipe van ultrasone cavitatie
Bij het sonificeren van vloeistoffen met hoge intensiteit resulteren de geluidsgolven die zich voortplanten in het vloeibare medium in afwisselende hogedrukcycli (compressie) en lagedrukcycli (rarefactie), waarbij de snelheid afhangt 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 280m/s.
Akoestische cavitatie (gegenereerd door ultrageluid) creëert lokaal extreme omstandigheden, zogenaamde sonomechanische en sonochemische effecten. Door deze effecten bevordert sonicatie chemische reacties die leiden tot een hoger rendement, snellere reactiesnelheid, nieuwe routes en verbeterde algehele efficiëntie.
Sonicator of ultrasoonbad: welke cavitatiemethode is de juiste keuze?
Zowel ultrasone sondes als ultrasone baden veroorzaken akoestische cavitatie, maar ze verschillen aanzienlijk in intensiteit, regelbaarheid en procesbetrouwbaarheid. Terwijl ultrasone baden nuttig zijn voor reiniging, koppelen sondesonificatoren ultrasone energie rechtstreeks aan de vloeistof en creëren ze een veel sterkere, gerichte cavitatiezone. Dit maakt sondesonificatoren de voorkeurskeuze voor reproduceerbare vloeistofverwerkingstoepassingen zoals homogenisatie, emulgering, extractie, celdisruptie, dispersie van nanodeeltjes en sonochemische reacties.
| Vergelijkingscriteria | sonde sonicator | ultrasoon bad |
|---|---|---|
| cavitatie-intensiteit | Zorgt voor akoestische cavitatie met hoge intensiteit direct aan de punt van de sonotrode. | Zorgt voor zwakkere cavitatie die over het gehele badvolume is verspreid. |
| Energieoverdracht | Geeft ultrasone energie rechtstreeks af aan de vloeistof, suspensie of slurry. | Geeft energie indirect af via het badwater en de wand van het bad. |
| procesbeheersing | Maakt een nauwkeurige instelling mogelijk van amplitude, ingangsvermogen, pulsmodus, temperatuur en verwerkingstijd. | Biedt beperkte controle over de daadwerkelijke ultrasone energie die het monster bereikt. |
| reproduceerbaarheid | Levert reproduceerbare ultrasone behandelingsresultaten op wanneer de procesparameters worden vastgelegd en gecontroleerd. | De resultaten kunnen variëren als gevolg van een ongelijkmatige cavitatieverdeling, de positie van het vat, het materiaal van het vat, het vulniveau en de belading van het bad. |
| Verwerkingsefficiëntie | Zeer efficiënt voor het homogeniseren, dispergeren, emulgeren, extraheren, celbreuk en sonochemie. | Vooral geschikt voor schoonmaakwerkzaamheden. |
| Monstervolume | Verkrijgbaar voor zowel kleine laboratoriummonsters als proef- en industriële hoeveelheden. | Wordt meestal gebruikt voor kleine vaten of meerdere containers die in het bad worden geplaatst. |
| opschaling | Kan worden opgeschaald van laboratoriumtests naar proefprojecten en continue industriële inline-verwerking. | Moeilijk betrouwbaar op te schalen omdat de energiedistributie en de cavitatie-intensiteit niet eenvoudig overdraagbaar zijn. |
| Geschikte media | Geschikt voor vloeistoffen, emulsies, suspensies, slurries en formuleringen met een hoog vastestofgehalte. | Bij uitstek geschikt voor vloeistoffen met een lage viscositeit en eenvoudige reinigings- of ontgassingstaken. |
| Typische toepassingen | Dispersie van nanodeeltjes, nano-emulsies, extractie, cellysis, homogenisatie, deagglomeratie, nat malen en sonochemische reacties. | Het reinigen van glaswerk, het ontgassen van vloeistoffen, het oplossen van poeders en het licht roeren van monsters. |
| De beste keuze voor | Gecontroleerde, krachtige en reproduceerbare ultrasone vloeistofbehandeling. | Eenvoudige reiniging of ultrasone behandeling met lage intensiteit. |
Belangrijkste toepassingen van ultrasone apparaten en akoestische cavitatie
Ultrasone sondes, ook wel ultrasone sondes genoemd, genereren efficiënt intense akoestische cavitatie in vloeistoffen. Daarom worden ze op grote schaal gebruikt in diverse toepassingen in verschillende industrieën. Enkele van de belangrijkste toepassingen van akoestische cavitatie gegenereerd door ultrasone sondes zijn:
- Homogenisatie: Ultrasone sondes kunnen intense cavitatie opwekken, die gekenmerkt wordt als een energiedicht veld van trillings- en schuifkrachten. Deze krachten zorgen voor een uitstekende menging, vermenging en verkleining van de deeltjesgrootte. Ultrasone homogenisatie produceert uniform gemengde suspensies. Daarom wordt sonificatie gebruikt om homogene colloïdale suspensies met smalle verdelingscurven te produceren.
- Nanodeeltjesdispersie: Ultrasone apparaten worden gebruikt voor het dispergeren, deagglomereren en nat malen van nanodeeltjes. Ultrasone golven met een lage frequentie kunnen krachtige cavitatie opwekken, waardoor agglomeraten worden afgebroken en de deeltjes kleiner worden. Met name de hoge afschuiving van de vloeistofstralen versnelt de deeltjes in de vloeistof, die met elkaar botsen (botsing tussen de deeltjes) zodat de deeltjes breken en eroderen. Dit resulteert in een uniforme en stabiele verdeling van de deeltjes waardoor bezinking wordt voorkomen. Dit is cruciaal op verschillende gebieden, waaronder nanotechnologie, materiaalkunde en farmaceutica.
- Emulgeren en mengen: Ultrasone sondes worden gebruikt om emulsies te creëren en vloeistoffen te mengen. De ultrasone energie veroorzaakt cavitatie, de vorming en ineenstorting van microscopische belletjes, waardoor intense lokale schuifkrachten worden opgewekt. Dit proces helpt bij het emulgeren van niet-mengbare vloeistoffen en produceert stabiele en fijn gedispergeerde emulsies.
- Extractie: Door de caviterende schuifkrachten zijn ultrasone apparaten zeer efficiënt in het verstoren van celstructuren en het verbeteren van de massaoverdracht tussen vaste en vloeibare stoffen. Daarom wordt ultrasone extractie op grote schaal gebruikt om intracellulair materiaal zoals bioactieve stoffen vrij te maken voor de productie van hoogwaardige botanische extracten.
- Ontgassing en Ontluchting: Ultrasone sondes worden gebruikt om gasbellen of opgeloste gassen uit vloeistoffen te verwijderen. De toepassing van ultrasone cavitatie bevordert het samensmelten van gasbellen zodat ze groeien en naar de bovenkant van de vloeistof drijven. Ultrasone cavitatie maakt ontgassing een snelle en efficiënte procedure. Dit is waardevol in verschillende industrieën, zoals in verf, hydraulische vloeistoffen of voedsel- en drankverwerking, waar de aanwezigheid van gassen de productkwaliteit en -stabiliteit negatief kan beïnvloeden.
- Sonokatalyse: Ultrasone sondes kunnen worden gebruikt voor sonokatalyse, een proces waarbij akoestische cavitatie wordt gecombineerd met katalysatoren om chemische reacties te verbeteren. De cavitatie die wordt opgewekt door ultrasone golven verbetert de massaoverdracht, verhoogt de reactiesnelheid en bevordert de productie van vrije radicalen, wat leidt tot efficiëntere en selectievere chemische transformaties.
- Monstervoorbereiding: Ultrasone sondetoestellen worden vaak gebruikt in laboratoria voor monstervoorbereiding. Ze worden gebruikt om biologische monsters, zoals cellen, weefsels en virussen, te homogeniseren, uit elkaar te halen en te extraheren. De ultrasone energie die door de sonde wordt gegenereerd verstoort de celmembranen, waardoor de celinhoud vrijkomt en verdere analyse mogelijk wordt.
- Desintegratie en celdisruptie: Ultrasone sondetoestellen worden gebruikt om cellen en weefsels te desintegreren en te verstoren voor verschillende doeleinden, zoals extractie van intracellulaire componenten, microbiële inactivatie of monstervoorbereiding voor analyse. De ultrasone golven met hoge intensiteit en de daardoor gegenereerde cavitatie veroorzaken mechanische spanning en schuifkrachten, wat resulteert in het uiteenvallen van celstructuren. In biologisch onderzoek en medische diagnostiek worden ultrasone apparaten van het probe-type gebruikt voor cellyse, het proces waarbij cellen openbreken om hun intracellulaire componenten vrij te maken. Ultrasone energie verstoort celwanden, membranen en organellen, waardoor eiwitten, DNA, RNA en andere cellulaire bestanddelen kunnen worden geëxtraheerd.
Dit zijn enkele van de belangrijkste toepassingen van ultrasone sondetoestellen, maar de technologie kent een nog breder scala aan andere toepassingen, waaronder sonochemie, verkleining van de deeltjesgrootte (wet-milling), bottom-up deeltjessynthese en sono-synthese van chemische stoffen en materialen in diverse industrieën zoals farmaceutica, voedselverwerking, biotechnologie en milieuwetenschappen.
Een reeks beelden op hoge snelheid (van a tot f) ter illustratie van de sonomexfoliatie van een grafietschilfer in water met behulp van de UP200S, een ultrasoonapparaat van 200 W met een sonotrode van 3 mm. Pijlen tonen de plaats van splijtende deeltjes met cavitatiebellen die in de splijting dringen.
© Tyurnina et al. 2020
Profiteer van ultrasone cavitatie!
De onderstaande tabel geeft een indicatie van de verwerkingscapaciteit van onze ultrasone machines:
| Batchvolume | Debiet | Aanbevolen apparaten |
|---|---|---|
| 1 tot 500 ml | 10 tot 200 ml/min | UP100H |
| 10 tot 2000 ml | 20 tot 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 tot 20L | 0.2 tot 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 tot 100 liter | 2 tot 10 l/min | UIP4000hdT |
| n.v.t. | 10 tot 100 l/min | UIP16000 |
| n.v.t. | groter | cluster van UIP16000 |
Video van akoestische cavitatie in vloeistof
De volgende video demonstreert akoestische cavitatie aan de cascatrode van de ultrasone UIP1000hdT in een met water gevulde glazen kolom. De glazen kolom wordt vanaf de bodem verlicht met rood licht om de cavitatiebellen beter zichtbaar te maken.
Hielscher Ultrasonics produceert hoogwaardige ultrasone homogenisatoren voor mengtoepassingen, dispergeren, emulgeren en extractie op laboratorium-, pilot- en industriële schaal.
veelgestelde vragen
Wat is ultrasone cavitatie?
Ultrasone cavitatie is het ontstaan, de groei en het heftige uiteenspatten van microscopisch kleine belletjes in een vloeistof die wordt blootgesteld aan ultrasone golven met hoge intensiteit. Het uiteenspatten van deze belletjes veroorzaakt intense lokale schuifkrachten, vloeistofmicrostralen, schokgolven, sterke drukgradiënten en krachtige micro-mengingseffecten.
Wat is het verschil tussen ultrasone cavitatie en akoestische cavitatie?
Akoestische cavitatie is de algemene term voor cavitatie die wordt veroorzaakt door geluidsgolven. Ultrasone cavitatie is akoestische cavitatie die wordt opgewekt door ultrasone frequenties, doorgaans boven het hoorbare bereik. In de industriële vloeistofverwerking worden beide termen vaak gebruikt voor cavitatie die wordt veroorzaakt door krachtige ultrasone apparaten.
Hoe draagt ultrasone cavitatie bij aan een betere verwerking van vloeistoffen?
Ultrasone cavitatie verbetert de verwerking van vloeistoffen door intense mechanische en chemische effecten in de vloeistof te veroorzaken. De mechanische effecten bevorderen het mengen, homogeniseren, emulgeren, het uiteenvallen van deeltjes, nat malen, extractie en het openbreken van cellen. In reactieve systemen kan cavitatie ook sonochemische effecten stimuleren en de massaoverdracht verbeteren.
Welke toepassingen maken gebruik van ultrasone cavitatie?
Ultrasone cavitatie wordt toegepast voor homogeniseren, dispergeren, emulgeren, nano-emulgeren, extractie, ontgassen, deagglomeratie, verkleining van de deeltjesgrootte, cellysis, het afbreken van micro-organismen, sonochemie, sonokatalyse en geavanceerde reacties in de vloeistoffase.
Waarom zijn ultrasone apparaten met een sonde zo effectief bij cavitatie?
Ultrasone apparaten met een sonde geven ultrasone energie via een sonotrode rechtstreeks aan de vloeistof af. Deze directe energiekoppeling zorgt voor een intense cavitatiezone vlakbij het oppervlak van de sonde en maakt een nauwkeurige afstelling mogelijk van belangrijke procesparameters zoals amplitude, ingangsvermogen, temperatuur, druk en verwerkingstijd.
Is een ultrasoonbad geschikt voor sterke cavitatie?
Ultrasoonbaden veroorzaken cavitatie, maar de energiedichtheid is doorgaans veel lager en minder geconcentreerd dan bij een ultrasoonapparaat met sonde. Baden zijn geschikt voor reiniging en milde behandelingen, terwijl ultrasoonapparaten met sonde de voorkeur genieten voor reproduceerbare homogenisatie, extractie, emulgering, dispersie, celbreuk en industriële vloeistofverwerking.
Lees en bekijk hoe sondes en ultrasone baden van elkaar verschillen!
Welke parameters beïnvloeden de intensiteit van ultrasone cavitatie?
Belangrijke parameters zijn onder meer de amplitude, het ultrasone vermogen, het oppervlak van de sonotrode, het vloeistofvolume, de viscositeit, het gehalte aan vaste stoffen, de druk, de temperatuur, de geometrie van het vat, de geometrie van de doorstroomcel, het debiet en de verblijftijd. Door deze parameters aan te passen, kan de cavitatie-intensiteit worden afgestemd op het beoogde procesdoel.
Kan ultrasone cavitatie worden opgeschaald van laboratoriumschaal naar productieschaal?
Ja. Ultrasone cavitatieprocessen kunnen op laboratoriumschaal worden ontwikkeld en vervolgens worden opgeschaald naar proef- of industriële schaal door de amplitude, het energieverbruik, de geometrie van de sonotrode, het debiet en de verblijftijd te regelen. Hielscher biedt ultrasone apparaten en reactoren voor laboratoriumtests, proefprojecten en continue industriële productie.
Literatuur / Referenties
- Suslick, K.S. (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; 4th Ed. J. Wiley & Sons: New York, 1998, vol. 26, 517-541.
- Aharon Gedanken (2003): Sonochemistry and its application to nanochemistry. Current Science Vol. 85, No. 12 (25 December 2003), pp. 1720-1722.
- 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.
- Ali Gholami, Fathollah Pourfayaz, Akbar Maleki (2021): Techno-economic assessment of biodiesel production from canola oil through ultrasonic cavitation. Energy Reports, Volume 7, 2021. 266-277.
- Anastasia V. Tyurnina, Iakovos Tzanakis, Justin Morton, Jiawei Mi, Kyriakos Porfyrakis, Barbara M. Maciejewska, Nicole Grobert, Dmitry G. Eskin 2020): Ultrasonic exfoliation of graphene in water: A key parameter study. Carbon, Vol. 168, 2020.
Hielscher Ultrasonics produceert hoogwaardige ultrasone homogenisatoren van lab naar industrieel formaat.