Ultrasonics: Aplikacje i procesy

Ultradźwięki to metoda obróbki mechanicznej, która wytwarza kawitację akustyczną i bardzo intensywne siły fizyczne. Dlatego ultradźwięki są wykorzystywane do wielu zastosowań, takich jak mieszanie, homogenizacja, mielenie, dyspersja, emulgowanie, ekstrakcja, odgazowywanie i reakcje sonochemiczne.
Poniżej dowiesz się wszystkiego o typowych zastosowaniach i procesach ultradźwiękowych.

homogenizacja ultradźwiękowa

Homogenizatory ultradźwiękowe redukują małe cząstki w cieczy, aby poprawić jednorodność i stabilność dyspersji. Cząstki (faza rozproszona) mogą być ciałami stałymi lub kroplami cieczy zawieszonymi w fazie ciekłej. Homogenizacja ultradźwiękowa jest bardzo skuteczna w redukcji miękkich i twardych cząstek. Hielscher produkuje ultradźwięki do homogenizacji dowolnej objętości cieczy oraz do przetwarzania wsadowego lub liniowego. Laboratoryjne urządzenia ultradźwiękowe mogą być stosowane do objętości od 1,5 ml do około 4 litrów. Ultradźwiękowe urządzenia przemysłowe mogą przetwarzać partie od 0,5 do ok. 2000 l lub natężenia przepływu od 0,1 l do 20 metrów sześciennych na godzinę w rozwoju procesu i produkcji komercyjnej.
Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się więcej o homogenizacji ultradźwiękowej!

Ultradźwiękowe rozpraszanie i deaglomeracja

Dyspersja i deaglomeracja ciał stałych w cieczach jest ważnym zastosowaniem ultrasonografów typu sondowego. Kawitacja ultradźwiękowa / akustyczna generuje duże siły ścinające, które rozbijają aglomeraty cząstek na pojedyncze, pojedyncze zdyspergowane cząstki. Mieszanie proszków w cieczach jest częstym etapem formułowania różnych produktów, takich jak farby, lakiery, produkty kosmetyczne, żywność i napoje lub środki polerujące. Poszczególne cząstki są utrzymywane razem przez siły przyciągania o różnym charakterze fizycznym i chemicznym, w tym siły van-der-Waalsa i napięcie powierzchniowe cieczy. Ultradźwięki pokonują te siły przyciągania w celu deaglomeracji i rozproszenia cząstek w ciekłych mediach. Do dyspergowania i deaglomeracji proszków w cieczach, ultradźwięki o wysokiej intensywności są interesującą alternatywą dla homogenizatorów wysokociśnieniowych, mieszalników o wysokim ścinaniu, młynów perełkowych lub mieszalników rotor-stator.
Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się więcej o dyspergowaniu ultradźwiękowym i deaglomeracji!

Emulsyfikacja ultradźwiękowa

Szeroka gama półproduktów i produktów konsumenckich, takich jak kosmetyki i balsamy do skóry, maści farmaceutyczne, lakiery, farby i smary oraz paliwa, opiera się w całości lub w części na emulsjach. Emulsje to dyspersje dwóch lub więcej niemieszających się faz ciekłych. Wysoce intensywne ultradźwięki zapewniają wystarczająco intensywne ścinanie, aby rozproszyć fazę ciekłą (fazę rozproszoną) w małych kropelkach w drugiej fazie (faza ciągła). W strefie rozpraszania implodujące pęcherzyki kawitacyjne powodują intensywne fale uderzeniowe w otaczającej cieczy i powodują powstawanie strumieni cieczy o dużej prędkości cieczy (wysokie ścinanie). Ultradźwięki można precyzyjnie dostosować do docelowej wielkości emulsji, co pozwala na niezawodną produkcję mikro-emulsji i nano-emulsji.
Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się więcej o emulgowaniu ultradźwiękowym!

Ultradźwiękowe mielenie na mokro i szlifowanie

Ultradźwięki są skutecznym środkiem do mielenia na mokro i mikrorozdrabniania cząstek. W szczególności do wytwarzania zawiesin o bardzo drobnych rozmiarach, ultradźwięki mają wiele zalet. Jest lepszy od tradycyjnych urządzeń do redukcji wielkości, takich jak: młyny koloidalne (np. młyny kulowe, młyny perełkowe), młyny tarczowe lub młyny strumieniowe. Ultradźwięki mogą przetwarzać zawiesiny o wysokim stężeniu i wysokiej lepkości - zmniejszając w ten sposób objętość do przetworzenia. Oczywiście frezowanie ultradźwiękowe nadaje się do przetwarzania materiałów o wielkości mikronów i nano-rozmiarów, takich jak ceramika, pigmenty, siarczan baru, węglan wapnia lub tlenki metali. Zwłaszcza jeśli chodzi o nanomateriały, ultradźwięki wyróżniają się wydajnością, ponieważ silnie uderzające siły ścinające tworzą równomiernie małe nanocząstki.
Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się więcej o ultradźwiękowym frezowaniu na mokro i mikroszlifowaniu!

Suszony rozpyłowo TiO2 przed i po mieleniu ultradźwiękowym

Ultradźwiękowa dezintegracja i liza komórek

Obróbka ultradźwiękowa może rozłożyć włóknisty materiał celulozowy na drobne cząstki i rozbić ściany struktury komórkowej. Powoduje to uwolnienie większej ilości materiału wewnątrzkomórkowego, takiego jak skrobia lub cukier, do cieczy. Efekt ten można wykorzystać do fermentacji, trawienia i innych procesów konwersji materii organicznej. Po zmieleniu i rozdrobnieniu, ultradźwięki sprawiają, że więcej materiału wewnątrzkomórkowego, np. skrobi, a także resztki ściany komórkowej są dostępne dla enzymów, które przekształcają skrobię w cukry. Zwiększa również powierzchnię wystawioną na działanie enzymów podczas upłynniania lub scukrzania. Zwykle zwiększa to szybkość i wydajność fermentacji drożdży i innych procesów konwersji, np. w celu zwiększenia produkcji etanolu z biomasy.
Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się więcej o ultradźwiękowej dezintegracji struktur komórkowych!

ultradźwiękowa ekstrakcja składników roślinnych

Ekstrakcja związków bioaktywnych przechowywanych w komórkach i cząsteczkach subkomórkowych jest szeroko stosowanym zastosowaniem ultradźwięków o wysokiej intensywności. Ekstrakcja ultradźwiękowa służy do izolowania metabolitów wtórnych (np. polifenoli), polisacharydów, białek, olejków eterycznych i innych składników aktywnych z macierzy komórkowej roślin i grzybów. Nadaje się do ekstrakcji związków organicznych wodą i rozpuszczalnikiem, sonikacja znacznie poprawia wydajność składników botanicznych zawartych w roślinach lub nasionach. Ekstrakcja ultradźwiękowa jest wykorzystywana do produkcji farmaceutyków, nutraceutyków / suplementów diety, substancji zapachowych i dodatków biologicznych. Ultradźwięki to zielona technika ekstrakcji stosowana również do ekstrakcji składników bioaktywnych w biorafineriach, np. uwalniania cennych związków z niewykorzystanych strumieni produktów ubocznych powstających w procesach przemysłowych. Ultradźwięki to wysoce skuteczna technologia ekstrakcji botanicznej w skali laboratoryjnej i produkcyjnej.
Kliknij tutaj, aby uzyskać więcej informacji na temat ekstrakcji ultradźwiękowej!

Sonochemiczne zastosowanie ultradźwięków

Sonochemia to zastosowanie ultradźwięków w reakcjach i procesach chemicznych. Mechanizmem powodującym efekty sonochemiczne w cieczach jest zjawisko kawitacji akustycznej. Efekty sonochemiczne w reakcjach i procesach chemicznych obejmują zwiększenie szybkości lub wydajności reakcji, bardziej efektywne wykorzystanie energii, poprawę wydajności katalizatorów przeniesienia fazowego, aktywację metali i ciał stałych lub zwiększenie reaktywności odczynników lub katalizatorów.
Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się więcej o sonochemicznym działaniu ultradźwięków!

Ultradźwiękowa transestryfikacja oleju do biodiesla

Ultradźwięki zwiększają szybkość reakcji chemicznej i wydajność transestryfikacji olejów roślinnych i tłuszczów zwierzęcych do biodiesla. Pozwala to na zmianę produkcji z przetwarzania wsadowego na przetwarzanie w przepływie ciągłym i zmniejsza koszty inwestycyjne i operacyjne. Jedną z głównych zalet ultradźwiękowej produkcji biodiesla jest wykorzystanie olejów odpadowych, takich jak zużyte oleje spożywcze i inne źródła olejów niskiej jakości. Transestryfikacja ultradźwiękowa może przekształcić nawet niskiej jakości surowiec w wysokiej jakości biodiesel (ester metylowy kwasów tłuszczowych / FAME). Produkcja biodiesla z olejów roślinnych lub tłuszczów zwierzęcych obejmuje katalizowaną zasadą transestryfikację kwasów tłuszczowych metanolem lub etanolem w celu uzyskania odpowiednich estrów metylowych lub etylowych. Ultradźwięki mogą osiągnąć wydajność biodiesla przekraczającą 99%. Ultradźwięki znacznie skracają czas przetwarzania i czas separacji.
Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się więcej o wspomaganej ultradźwiękami transestryfikacji oleju do biodiesla!

Ultradźwiękowe odgazowywanie i napowietrzanie cieczy

Odgazowywanie cieczy jest kolejnym ważnym zastosowaniem ultradźwiękowych sond. Wibracje ultradźwiękowe i kawitacja powodują koalescencję rozpuszczonych gazów w cieczy. Gdy drobne pęcherzyki gazu łączą się, tworzą większe pęcherzyki, które szybko unoszą się na górnej powierzchni cieczy, skąd można je usunąć. W ten sposób ultradźwiękowe odgazowywanie i odpowietrzanie może obniżyć poziom rozpuszczonego gazu poniżej naturalnego poziomu równowagi.
Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się więcej o ultradźwiękowym odgazowywaniu cieczy!

Ultradźwiękowe czyszczenie przewodów, kabli i taśm

Czyszczenie ultradźwiękowe jest przyjazną dla środowiska alternatywą dla czyszczenia materiałów ciągłych, takich jak druty i kable, taśmy lub rury. Efekt silnej kawitacji ultradźwiękowej usuwa pozostałości smaru, takie jak olej lub smar, mydła, stearyniany lub kurz z powierzchni materiału. Hielscher Ultrasonics oferuje różne systemy ultradźwiękowe do liniowego czyszczenia profili ciągłych.
Kliknij tutaj, aby uzyskać więcej informacji na temat czyszczenia ultradźwiękowego profili ciągłych!

Co sprawia, że sonikacja jest doskonałą metodą przetwarzania?

Sonikacja, czyli wykorzystanie fal dźwiękowych o wysokiej częstotliwości do mieszania cieczy, jest skuteczną metodą przetwarzania z wielu powodów. Oto kilka powodów, dla których sonikacja o wysokiej intensywności i niskiej częstotliwości ok. 20 kHz jest szczególnie skuteczna i korzystna w przetwarzaniu cieczy i zawiesin:

1. Kawitacja: Jednym z głównych mechanizmów sonikacji jest tworzenie i zapadanie się małych pęcherzyków, zjawisko zwane kawitacją. Przy częstotliwości 20 kHz fale dźwiękowe mają odpowiednią częstotliwość do skutecznego tworzenia i zapadania się pęcherzyków. Upadek tych pęcherzyków wytwarza fale uderzeniowe o wysokiej energii, które mogą rozbijać cząsteczki i zakłócać komórki w sonikowanej cieczy.
2. Oscylacje i wibracje: Oprócz generowanej kawitacji akustycznej, oscylacja sondy ultradźwiękowej powoduje dodatkowe mieszanie i mieszanie w cieczy, promując w ten sposób przenoszenie masy i / lub odgazowanie.
3. Penetracja: Fale dźwiękowe o częstotliwości 20 kHz mają stosunkowo dużą długość fali, co pozwala im wnikać głęboko w ciecze. Kawitacja ultradźwiękowa jest zjawiskiem zlokalizowanym w otoczeniu sondy ultradźwiękowej. Wraz ze wzrostem odległości od sondy intensywność kawitacji maleje. Jednak sonikacja przy 20 kHz może skutecznie leczyć większe objętości cieczy, w porównaniu do sonikacji o wyższej częstotliwości, która ma krótsze długości fal i może być bardziej ograniczona pod względem głębokości penetracji.
4. Niskie zużycie energii: Sonikację można przeprowadzić przy stosunkowo niskim zużyciu energii w porównaniu z innymi metodami przetwarzania, takimi jak homogenizacja wysokociśnieniowa lub mieszanie mechaniczne. Sprawia to, że jest to bardziej energooszczędna i opłacalna metoda przetwarzania cieczy.
5. Liniowa skalowalność: Procesy ultradźwiękowe można skalować całkowicie liniowo do większych lub mniejszych objętości. Sprawia to, że adaptacja procesu w produkcji jest niezawodna, ponieważ jakość produktu może być utrzymywana na stałym poziomie.
6. Przepływ wsadowy i liniowy: Ultradźwięki mogą być wykonywane jako wsadowe lub ciągłe procesy inline. W przypadku sonikacji partii, sonda ultradźwiękowa jest wprowadzana do otwartego naczynia lub zamkniętego reaktora wsadowego. Do sonikacji ciągłego strumienia przepływu zainstalowana jest ultradźwiękowa komórka przepływowa. Ciekłe medium przechodzi przez sonotrodę (ultradźwiękowo wibrujący pręt) w pojedynczym przejściu lub recyrkulacji i jest bardzo jednolite i skuteczne narażone na fale ultradźwiękowe.

Ogólnie rzecz biorąc, intensywne siły kawitacji, niskie zużycie energii i skalowalność procesu sprawiają, że sonikacja o niskiej częstotliwości i dużej mocy jest skuteczną metodą przetwarzania cieczy.

Zasada działania i zastosowanie przetwarzania ultradźwiękowego

Ultradźwięki to komercyjna technologia przetwarzania, która została przyjęta przez wiele branż do produkcji na dużą skalę. Wysoka niezawodność i skalowalność, a także niskie koszty utrzymania i wysoka efektywność energetyczna sprawiają, że procesory ultradźwiękowe są dobrą alternatywą dla tradycyjnych urządzeń do przetwarzania cieczy. Ultradźwięki oferują dodatkowe ekscytujące możliwości: Kawitacja - podstawowy efekt ultradźwiękowy - daje unikalne wyniki w procesach biologicznych, chemicznych i fizycznych. Na przykład dyspersja ultradźwiękowa i emulgowanie z łatwością wytwarzają stabilne preparaty nano-wielkości. Również w dziedzinie ekstrakcji botanicznej ultradźwięki są nietermiczną techniką izolowania związków bioaktywnych.

Podczas gdy ultradźwięki o niskiej intensywności lub wysokiej częstotliwości są wykorzystywane głównie do analizy, badań nieniszczących i obrazowania, ultradźwięki o wysokiej intensywności są wykorzystywane do przetwarzania cieczy i past, gdzie intensywne fale ultradźwiękowe są wykorzystywane do mieszania, emulgowania, dyspergowania i deaglomeracji, dezintegracji komórek lub dezaktywacji enzymów. Podczas sonikowania cieczy z dużą intensywnością, fale dźwiękowe rozchodzą się przez ciekłe media. Powoduje to naprzemienne cykle wysokiego ciśnienia (kompresja) i niskiego ciśnienia (rozrzedzenie), z szybkościami zależnymi od częstotliwości. Podczas cyklu niskiego ciśnienia fale ultradźwiękowe o wysokiej intensywności tworzą małe pęcherzyki próżniowe lub puste przestrzenie w cieczy. Gdy pęcherzyki osiągną objętość, przy której nie mogą już absorbować energii, zapadają się gwałtownie podczas cyklu wysokiego ciśnienia. Zjawisko to określa się mianem kawitacji. Podczas implozji lokalnie osiągane są bardzo wysokie temperatury (ok. 5000 K) i ciśnienia (ok. 2000 atm). W wyniku implozji pęcherzyka kawitacyjnego powstają również strumienie cieczy o prędkości do 280 metrów na sekundę.

Kawitacja ultradźwiękowa w cieczach może powodować szybkie i całkowite odgazowanie; inicjować różne reakcje chemiczne poprzez generowanie wolnych jonów chemicznych (rodników); przyspieszać reakcje chemiczne poprzez ułatwianie mieszania reagentów; wzmacniać reakcje polimeryzacji i depolimeryzacji poprzez rozpraszanie agregatów lub trwałe zrywanie wiązań chemicznych w łańcuchach polimerowych; zwiększają szybkość emulgowania; poprawiają szybkość dyfuzji; wytwarzają wysoce skoncentrowane emulsje lub jednolite dyspersje materiałów o wielkości mikronów lub nanometrów; wspomagają ekstrakcję substancji, takich jak enzymy z komórek zwierzęcych, roślinnych, drożdżowych lub bakteryjnych; usuwają wirusy z zainfekowanych tkanek; i wreszcie erodują i rozkładają podatne cząsteczki, w tym mikroorganizmy. (por. Kuldiloke 2002)

Ultradźwięki o wysokiej intensywności powodują gwałtowne mieszanie w cieczach o niskiej lepkości, które mogą być wykorzystywane do rozpraszania materiałów w cieczach. (por. Ensminger, 1988) Na granicy faz ciecz/ciało stałe lub gaz/ciało stałe, asymetryczna implozja pęcherzyków kawitacyjnych może powodować ekstremalne turbulencje, które zmniejszają warstwę graniczną dyfuzji, zwiększają konwekcyjny transfer masy i znacznie przyspieszają dyfuzję w systemach, w których zwykłe mieszanie nie jest możliwe. (por. Nyborg, 1965)

Literatura