Ultrasone cavitatie in vloeistoffen
Ultrasone cavitatie is de drijvende kracht achter de verwerking van vloeistoffen met ultrasoon geluid van hoge intensiteit. Wanneer krachtig ultrasoon geluid in een vloeistof wordt gekoppeld, ontstaan microscopische dampbellen die groeien en met grote kracht instorten. Deze akoestische cavitatie veroorzaakt intense lokale afschuifkrachten, microjets, schokgolven, drukveranderingen en micromengeffecten die homogenisatie, dispergeren, emulgeren, extractie, ontgassing, celontsluiting en sonochemische reacties kunnen versnellen.
Sonicatoren met een sonde van Hielscher gebruiken gecontroleerde akoestische cavitatie om ultrasone energie rechtstreeks over te dragen aan vloeistoffen, suspensies en slurries. Van kleine laboratoriummonsters tot continue industriële doorstroomproductie: met systemen van Hielscher kunt u de amplitude, sonotrodegeometrie, druk, temperatuur, het debiet en de verblijftijd aanpassen voor reproduceerbare cavitatieresultaten.
- Voor laboratoria: ontwikkel en optimaliseer sonicatieparameters in kleine volumes.
- Voor proefinstallaties: valideer door cavitatie aangedreven processen onder realistische verwerkingsomstandigheden.
- Voor productie: schaal ultrasone cavitatie op voor batchprocessen, recirculatieprocessen of continue inlineprocessen.
Vertel ons welke vloeistof u gebruikt, wat het batchvolume of debiet is, wat de viscositeit en het gehalte aan vaste stoffen zijn, welke temperatuurgrenzen gelden en welk procesresultaat u wilt bereiken. Wij adviseren u over de optimale configuratie van sonicator, sonotrode en doorstroomcel voor uw cavitatietoepassing.
Sonicatoren met een sonde, zoals de UP400St, werken volgens het principe van akoestische cavitatie.
Het werkingsprincipe van ultrasone cavitatie
Bij sonicatie van vloeistoffen met hoge intensiteiten veroorzaken de geluidsgolven die zich in de vloeibare media voortplanten afwisselende cycli van hoge druk (compressie) en lage druk (verdunning), met een herhalingssnelheid die afhankelijk is van de frequentie. Tijdens de lagedrukcyclus creëren ultrasone golven van hoge intensiteit kleine vacuümbellen of holtes in de vloeistof. Wanneer de bellen een volume bereiken waarbij ze geen energie meer kunnen opnemen, storten ze tijdens een hogedrukcyclus met grote kracht in. Dit verschijnsel wordt cavitatie genoemd. Tijdens de implosie worden lokaal zeer hoge temperaturen (ca. 5.000K) en drukken (ca. 2.000atm) bereikt. De implosie van de cavitatiebel veroorzaakt ook vloeistofjets met een snelheid tot 280m/s.
Akoestische cavitatie (opgewekt door krachtig ultrasoon geluid) creëert lokaal extreme omstandigheden, de zogenoemde sonomechanische en sonochemische effecten. Door deze effecten bevordert sonicatie chemische reacties die leiden tot hogere opbrengsten, een hogere reactiesnelheid, nieuwe reactieroutes en een verbeterde algehele efficiëntie.
Sonicator met een sonde of ultrasoonbad: welke cavitatiemethode is geschikt?
Sonicatoren met een sonde en ultrasoonbaden genereren beide akoestische cavitatie, maar verschillen aanzienlijk in intensiteit, regelbaarheid en procesbetrouwbaarheid. Terwijl ultrasoonbaden nuttig zijn voor reiniging, koppelen sonicatoren met een sonde ultrasone energie rechtstreeks in de vloeistof en creëren ze een veel sterkere, gerichte cavitatiezone. Hierdoor zijn sonicatoren met een sonde de voorkeurskeuze voor reproduceerbare toepassingen voor vloeistofverwerking, zoals homogenisatie, emulgeren, extractie, celontsluiting, dispersie van nanodeeltjes en sonochemische reacties.
| Vergelijkingscriteria | Sonicator met een sonde | Ultrasoonbad |
|---|---|---|
| Cavitatie-intensiteit | Produceert akoestische cavitatie van hoge intensiteit rechtstreeks aan de sonotrodepunt. | Produceert zwakkere cavitatie die over het badvolume is verdeeld. |
| Energieoverdracht | Draagt ultrasone energie rechtstreeks over aan de vloeistof, suspensie of slurry. | Draagt energie indirect over via de badvloeistof en de wand van het vat. |
| Procesregeling | Maakt nauwkeurige instelling van amplitude, toegevoerd vermogen, pulsmodus, temperatuur en verwerkingstijd mogelijk. | Biedt beperkte controle over de daadwerkelijke ultrasone energie die het monster bereikt. |
| Reproduceerbaarheid | Levert reproduceerbare sonicatieresultaten wanneer procesparameters worden vastgelegd en bewaakt. | Resultaten kunnen variëren door 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 homogeniseren, dispergeren, emulgeren, extractie, celontsluiting en sonochemie. | Voornamelijk geschikt voor reiniging. |
| Monstervolume | Beschikbaar voor zowel kleine laboratoriummonsters als volumes op pilot- en industriële schaal. | Wordt doorgaans gebruikt voor kleine vaten of meerdere houders die in het bad worden geplaatst. |
| Opschaling | Kan worden opgeschaald van laboratoriumtests naar pilotproeven en continue industriële inlineverwerking. | Moeilijk betrouwbaar op te schalen, omdat de energieverdeling en cavitatie-intensiteit niet eenvoudig overdraagbaar zijn. |
| Geschikte media | Effectief voor vloeistoffen, emulsies, suspensies, slurries en formuleringen met een hoog gehalte aan vaste stoffen. | Het meest geschikt voor vloeistoffen met een lage viscositeit en eenvoudige reinigings- of ontgassingstaken. |
| Typische toepassingen | Dispersie van nanodeeltjes, nano-emulsies, extractie, cellyse, homogenisatie, deagglomeratie, natmalen en sonochemische reacties. | Reinigen van glaswerk, ontgassen van vloeistoffen, oplossen van poeders en voorzichtig bewegen van monsters. |
| Beste keuze voor | Gecontroleerde, krachtige en reproduceerbare ultrasone vloeistofverwerking. | Eenvoudige reiniging of ultrasone behandeling met lage intensiteit. |
Belangrijkste toepassingen van sonicatoren en akoestische cavitatie
Ultrasone apparaten met een sonde, ook wel ultrasone sondes genoemd, genereren efficiënt intense akoestische cavitatie in vloeistoffen. Daarom worden ze veelvuldig gebruikt voor uiteenlopende toepassingen in verschillende industrieën. Enkele van de belangrijkste toepassingen van akoestische cavitatie die door ultrasone apparaten met een sonde wordt gegenereerd, zijn:
- Homogenisatie: Ultrasone sondes kunnen intense cavitatie genereren, die wordt gekenmerkt als een energiedicht veld van trillingen en afschuifkrachten. Deze krachten zorgen voor uitstekende menging, vermenging en verkleining van de deeltjesgrootte. Ultrasone homogenisatie levert uniform gemengde suspensies op. Daarom wordt sonicatie gebruikt om een homogene colloïdale suspensie met smalle verdelingscurven te produceren.
- Dispersie van nanodeeltjes: Ultrasone apparaten worden ingezet voor de dispersie, deagglomeratie en het natmalen van nanodeeltjes. Laagfrequente ultrasone golven kunnen krachtige cavitatie genereren, die agglomeraten afbreekt en de deeltjesgrootte verkleint. Vooral de sterke afschuiving door de vloeistofjets versnelt deeltjes in de vloeistof, die vervolgens met elkaar botsen (botsingen tussen deeltjes), waardoor de deeltjes breken en eroderen. Dit resulteert in een uniforme en stabiele verdeling van deeltjes die sedimentatie voorkomt. Dit is cruciaal op verschillende gebieden, waaronder nanotechnologie, materiaalwetenschap en de farmaceutische industrie.
- Emulgeren en mengen: Ultrasone apparaten met een sonde worden gebruikt om emulsies te maken en vloeistoffen te mengen. De ultrasone energie veroorzaakt cavitatie, de vorming en het instorten van microscopische bellen, waarbij intense lokale afschuifkrachten ontstaan. Dit proces helpt bij het emulgeren van niet-mengbare vloeistoffen en levert stabiele en fijn gedispergeerde emulsies op.
- Extractie: Door de afschuifkrachten die bij cavitatie ontstaan, zijn ultrasone apparaten zeer efficiënt in het openbreken van celstructuren en het verbeteren van de massaoverdracht tussen vaste stof en vloeistof. Daarom wordt ultrasone extractie veelvuldig gebruikt om intracellulair materiaal, zoals bioactieve verbindingen, vrij te maken voor de productie van hoogwaardige botanische extracten.
- Ontgassing en ontluchting: Ultrasone apparaten met een sonde worden ingezet om gasbellen of opgeloste gassen uit vloeistoffen te verwijderen. De toepassing van ultrasone cavitatie bevordert het samensmelten van gasbellen, zodat ze groeien en naar het vloeistofoppervlak drijven. Ultrasone cavitatie maakt ontgassing tot een snelle en efficiënte procedure. Dit is waardevol in verschillende industrieën, bijvoorbeeld bij verven, hydraulische vloeistoffen of de verwerking van voedingsmiddelen en dranken, waar de aanwezigheid van gassen de productkwaliteit en stabiliteit negatief kan beïnvloeden.
- Sonokatalyse: Ultrasone sondes kunnen worden gebruikt voor sonokatalyse, een proces dat akoestische cavitatie combineert met katalysatoren om chemische reacties te versterken. De cavitatie die door ultrasone golven wordt gegenereerd, verbetert de massaoverdracht, verhoogt de reactiesnelheden en bevordert de productie van vrije radicalen, wat leidt tot efficiëntere en selectievere chemische omzettingen.
- Monstervoorbereiding: Ultrasone apparaten met een sonde worden vaak in laboratoria gebruikt voor monstervoorbereiding. Ze worden gebruikt om biologische monsters, zoals cellen, weefsels en virussen, te homogeniseren, uiteen te laten vallen en te extraheren. De ultrasone energie die door de sonde wordt gegenereerd, breekt de celmembranen open, waardoor de celinhoud vrijkomt en verdere analyse wordt vergemakkelijkt.
- Desintegratie en celontsluiting: Ultrasone apparaten met een sonde worden gebruikt om cellen en weefsels te desintegreren en open te breken voor verschillende doeleinden, zoals de extractie van intracellulaire componenten, microbiële inactivatie of monstervoorbereiding voor analyse. De ultrasone golven van hoge intensiteit en de daardoor gegenereerde cavitatie veroorzaken mechanische spanning en afschuifkrachten, wat resulteert in de desintegratie van celstructuren. In biologisch onderzoek en medische diagnostiek worden ultrasone apparaten met een sonde gebruikt voor cellyse, het proces waarbij cellen worden opengebroken om hun intracellulaire componenten vrij te maken. Ultrasone energie breekt celwanden, membranen en organellen open, waardoor eiwitten, DNA, RNA en andere celbestanddelen kunnen worden geëxtraheerd.
Dit zijn enkele van de belangrijkste toepassingen van ultrasone apparaten met een sonde, maar de technologie kent een nog breder scala aan andere toepassingen, waaronder sonochemie, verkleining van de deeltjesgrootte (natmalen), bottom-upsynthese van deeltjes en sonosynthese van chemische stoffen en materialen in verschillende industrieën, zoals de farmaceutische industrie, voedselverwerking, biotechnologie en milieuwetenschappen.
Een reeks hogesnelheidsopnamen (van a tot f) die de sonomechanische exfoliatie van een grafietvlok in water illustreert met behulp van de UP200S, een ultrasoon apparaat van 200W met een sonotrode van 3 mm. Pijlen geven aan waar deeltjes splijten, waarbij cavitatiebellen de spleet binnendringen.
© Tyurnina et al. 2020
Profiteer van ultrasone cavitatie!
De onderstaande tabel geeft u een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze ultrasone apparaten:
| Batchvolume | Debiet | Aanbevolen apparaten |
|---|---|---|
| 1 tot 500mL | 10 tot 200mL/min | UP100H |
| 10 tot 2000mL | 20 tot 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 tot 20L | 0,2 tot 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 tot 100L | 2 tot 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 tot 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | hoger | cluster van UIP16000 |
Video van akoestische cavitatie in vloeistof
De volgende video demonstreert akoestische cavitatie aan de cascatrode van het ultrasone apparaat UIP1000hdT in een met water gevulde glazen kolom. De glazen kolom wordt van onderaf met rood licht verlicht om de cavitatiebellen beter zichtbaar te maken.
Hielscher Ultrasonics produceert ultrasone homogenisatoren met hoge prestaties voor mengtoepassingen, dispersie, emulgeren en extractie op laboratorium-, pilot- en industriële schaal.
Veelgestelde vragen
Wat is ultrasone cavitatie?
Ultrasone cavitatie is de vorming, groei en het met grote kracht instorten van microscopische bellen in een vloeistof die aan ultrasoon geluid van hoge intensiteit wordt blootgesteld. Het instorten van deze bellen veroorzaakt intense lokale afschuiving, vloeistofmicrojets, schokgolven, hoge drukgradiënten en sterke micromengeffecten.
Wat is het verschil tussen ultrasone cavitatie en akoestische cavitatie?
Akoestische cavitatie is de algemene term voor cavitatie die door geluidsgolven wordt veroorzaakt. Ultrasone cavitatie is akoestische cavitatie die door ultrasone frequenties wordt gegenereerd, doorgaans boven het hoorbare bereik. Bij industriële vloeistofverwerking worden beide termen vaak gebruikt voor cavitatie die door ultrasone apparaten met hoog vermogen wordt geproduceerd.
Hoe verbetert ultrasone cavitatie de vloeistofverwerking?
Ultrasone cavitatie verbetert de vloeistofverwerking door intense mechanische en chemische effecten in de vloeistof te creëren. De mechanische effecten ondersteunen mengen, homogenisatie, emulgeren, deagglomeratie van deeltjes, natmalen, extractie en celontsluiting. In reactieve systemen kan cavitatie ook sonochemische effecten bevorderen en de massaoverdracht verbeteren.
Welke toepassingen gebruiken ultrasone cavitatie?
Ultrasone cavitatie wordt gebruikt voor homogeniseren, dispergeren, emulgeren, nano-emulgeren, extractie, ontgassing, deagglomeratie, verkleining van de deeltjesgrootte, cellyse, ontsluiting van micro-organismen, sonochemie, sonokatalyse en geavanceerde reacties in de vloeistoffase.
Waarom zijn ultrasone apparaten met een sonde effectief voor cavitatie?
Ultrasone apparaten met een sonde dragen ultrasone energie via een sonotrode rechtstreeks over aan de vloeistof. Deze directe koppeling van ultrasone energie creëert een intense cavitatiezone nabij het sondeoppervlak en maakt nauwkeurige instelling van belangrijke procesparameters mogelijk, zoals amplitude, toegevoerd vermogen, temperatuur, druk en verwerkingstijd.
Is een ultrasoonbad geschikt voor sterke cavitatie?
Ultrasoonbaden produceren cavitatie, maar de energiedichtheid is doorgaans veel lager en minder gericht dan bij een sonicator met een sonde. Baden zijn nuttig voor reiniging en milde behandeling, terwijl ultrasone apparaten met een sonde de voorkeur hebben voor reproduceerbare homogenisatie, extractie, emulgeren, dispersie, celontsluiting en industriële vloeistofverwerking.
Lees en bekijk hoe sonicatoren met een sonde en ultrasoonbaden van elkaar verschillen!
Welke parameters beïnvloeden de intensiteit van ultrasone cavitatie?
Belangrijke parameters zijn amplitude, ultrasoon vermogen, sonotrodeoppervlak, vloeistofvolume, viscositeit, gehalte aan vaste stoffen, druk, temperatuur, vatgeometrie, doorstroomcelgeometrie, debiet en verblijftijd. Door deze parameters aan te passen, kan de cavitatie-intensiteit op het procesdoel worden afgestemd.
Kan ultrasone cavitatie van laboratorium naar productie worden opgeschaald?
Ja. Processen met ultrasone cavitatie kunnen in laboratoriumvolumes worden ontwikkeld en naar pilot- of industriële schaal worden overgebracht door de amplitude, energietoevoer, sonotrodegeometrie, het debiet en de verblijftijd te regelen. Hielscher biedt ultrasone apparaten en reactoren voor laboratoriumtests, pilotproeven 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 ultrasone homogenisatoren met hoge prestaties van laboratoriumformaat tot industrieel formaat.