Ultradźwięki to metoda obróbki mechanicznej, w której dochodzi do powstania kawitacji akustycznej i wysoce intensywnych sił fizycznych. Dlatego też ultradźwięki znajdują liczne zastosowania, takie jak: mieszanie, homogenizacja, mielenie, dyspersja, emulgacja, ekstrakcja, odgazowywanie oraz reakcje sono-chemiczne.
Poniżej dowiesz się wszystkiego o typowych zastosowaniach i procesach ultradźwiękowych.

ultradźwiękowy homogenizacji

Homogenizatory ultradźwiękowe redukują małe cząstki w cieczy w celu poprawy jednorodności i stabilności dyspersji. Cząstki (faza dyspersyjna) mogą być ciałami stałymi lub kroplami cieczy zawieszonymi w fazie ciekłej. Homogenizacja ultradźwiękowa jest bardzo skuteczna przy redukcji miękkich i twardych cząstek. Firma Hielscher produkuje ultradźwiękowe urządzenia do homogenizacji dowolnej objętości cieczy oraz do przetwarzania wsadowego lub liniowego. Laboratoryjne urządzenia ultradźwiękowe mogą być stosowane do objętości od 1,5mL do ok. 4L. Ultradźwiękowe urządzenia przemysłowe mogą przetwarzać partie od 0,5 do ok. 2000L lub przepływy od 0,1L do 20 metrów sześciennych na godzinę w rozwoju procesu i w produkcji komercyjnej.
Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się więcej o ultradźwiękowy homogenizacji!

Ultradźwiękowe rozpraszanie i deaglomeracja

Dyspersja i deaglomeracja ciał stałych w cieczach jest ważnym zastosowaniem ultradźwięków typu sondy. Ultradźwiękowa / akustyczna kawitacja generuje wysokie siły ścinające, które rozbijają aglomeraty cząstek na pojedyncze, rozproszone cząstki. Mieszanie proszków w cieczach jest częstym etapem tworzenia różnych produktów, takich jak farby, lakiery, produkty kosmetyczne, żywność i napoje lub środki polerskie. 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 dyspersji cząstek w ciekłych mediach. W przypadku dyspergowania i deaglomeracji proszków w cieczach, ultradźwięki o wysokim natężeniu stanowią interesującą alternatywę dla homogenizatorów wysokociśnieniowych, mieszalników o wysokim ścinaniu, młynów perełkowych lub mieszalników typu rotor-stator.
Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się więcej o ultradźwiękowy rozpraszania i deaglomeracji!

ultradźwiękowy Emulsyfikacja

Wiele półproduktów i produktów konsumpcyjnych, takich jak kosmetyki i balsamy do skóry, maści farmaceutyczne, lakiery, farby i smary oraz paliwa, opiera się w całości lub częściowo na emulsjach. Emulsje to dyspersje dwóch lub więcej niemieszających się faz ciekłych. Wysoko intensywne ultradźwięki dostarczają wystarczająco intensywnego ścinania, aby rozproszyć fazę ciekłą (fazę rozproszoną) w małe kropelki w drugiej fazie (fazie ciągłej). W strefie dyspersyjnej implodujące pęcherzyki kawitacyjne wywołują intensywne fale uderzeniowe w otaczającej cieczy i powodują powstawanie strumieni cieczy o dużej prędkości (wysokie ścinanie). Ultradźwięki można precyzyjnie dostosować do docelowej wielkości emulsji, co pozwala na niezawodną produkcję mikro- i nanoemulsji.
Kliknij tutaj, aby przeczytać więcej o ultradźwiękowej emulgowania!

Ultradźwiękowy Wet-frezowania i szlifowania

Ultradźwięki są skutecznym środkiem do mielenia na mokro i mikrorozdrabniania cząstek. W szczególności przy wytwarzaniu zawiesin o super drobnych rozmiarach, ultradźwięki mają wiele zalet. Przewyższa tradycyjne urządzenia do redukcji wielkości, takie jak: młyny koloidalne (np. młyny kulowe, perełkowe), młyny tarczowe czy młyny strumieniowe. Ultradźwięki mogą przetwarzać zawiesiny o wysokim stężeniu i dużej lepkości - tym samym zmniejszając objętość do przetworzenia. Oczywiście, mielenie ultradźwiękowe nadaje się do przetwarzania materiałów o rozmiarach mikronowych i nano, takich jak ceramika, pigmenty, siarczan baru, węglan wapnia lub tlenki metali. Szczególnie jeśli chodzi o nano-materiały, ultradźwięki wyróżniają się wydajnością, ponieważ ich silnie oddziałujące siły ścinające tworzą jednolicie małe nanocząstki.
Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się więcej o ultradźwiękowy mielenie na mokro i Micro-szlifowania!

Suszony rozpyłowo TiO2 przed i po mieleniu ultradźwiękowym

Ultradźwiękowa dezintegracja i liza komórek

Obróbka ultradźwiękowa może rozbijać włóknisty, celulozowy materiał na drobne cząstki i łamać ściany struktury komórkowej. To uwalnia więcej materiału wewnątrzkomórkowego, takiego jak skrobia lub cukier do cieczy. Efekt ten może być wykorzystany do fermentacji, trawienia i innych procesów przemiany materii organicznej. Po zmieleniu i rozdrobnieniu, ultradźwięki sprawiają, że więcej materiału wewnątrzkomórkowego, np. skrobia, jak również resztki ścian komórkowych są dostępne dla enzymów, które przekształcają skrobię w cukry. Zwiększa to również powierzchnię wystawioną na działanie enzymów podczas upłynniania lub scukrzania. Zwiększa to zazwyczaj szybkość i wydajność fermentacji drożdżowej i innych procesów konwersji, np. w celu zwiększenia produkcji etanolu z biomasy.
Kliknij tutaj, aby przeczytać więcej o ultradźwiękowej dezintegracji struktur komórkowych!

ultradźwiękowa ekstrakcja botaniczna

Ekstrakcja związków bioaktywnych zgromadzonych w komórkach i cząstkach subkomórkowych jest szeroko stosowanym zastosowaniem ultradźwięków o wysokim natężeniu. Ekstrakcja ultradźwiękowa jest stosowana do izolacji metabolitów wtórnych (np. polifenoli), polisacharydów, białek, olejków eterycznych i innych składników aktywnych z macierzy komórkowej roślin i grzybów. Odpowiednia do ekstrakcji wodnej i rozpuszczalnikowej związków organicznych, sonikacja znacznie poprawia wydajność substancji botanicznych zawartych w roślinach lub nasionach. Ekstrakcja ultradźwiękowa jest stosowana w produkcji farmaceutyków, nutraceutyków / suplementów diety, substancji zapachowych i dodatków biologicznych. Ultradźwięki to zielona technika ekstrakcyjna wykorzystywana również do ekstrakcji składników bioaktywnych w biorafineriach, np. uwalniania cennych związków z niewykorzystanych strumieni produktów ubocznych powstających w procesach przemysłowych. Ultradźwięki to wysoce efektywna technologia ekstrakcji botanicznej w skali laboratoryjnej i produkcyjnej.
Kliknij tutaj, aby uzyskać więcej informacji o ekstrakcji ultradźwiękowej!

Sonochemicznych Zastosowanie ultradźwięków

Sonochemia to zastosowanie ultradźwięków w reakcjach i procesach chemicznych. Mechanizmem wywołującym 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 wymiany fazowej, aktywację metali i ciał stałych lub zwiększenie reaktywności reagentów lub katalizatorów.
Kliknij tutaj, aby przeczytać więcej o sonochemicznych wpływu ultradźwięków!

Ultradźwiękowy transestryfikacji oleju do biodiesla

Ultradźwięki zwiększają szybkość reakcji chemicznych i wydajność transestryfikacji olejów roślinnych i tłuszczów zwierzęcych do biodiesla. Pozwala to na zmianę produkcji z wsadowej na ciągłą oraz obniża koszty inwestycyjne i operacyjne. Jedną z głównych zalet ultradźwiękowej produkcji biodiesla jest wykorzystanie olejów odpadowych, takich jak zużyte oleje kuchenne i inne źródła oleju o niskiej jakości. Ultradźwiękowa transestryfikacja może przekształcić nawet niskiej jakości surowiec w wysokiej jakości biodiesel (ester metylowy kwasu tłuszczowego / FAME). Produkcja biodiesla z olejów roślinnych lub tłuszczów zwierzęcych obejmuje katalizowaną zasadą transestryfikację kwasów tłuszczowych z metanolem lub etanolem w celu uzyskania odpowiednich estrów metylowych lub estrów etylowych. Dzięki ultradźwiękom można uzyskać wydajność biodiesla przekraczającą 99%. Ultradźwięki znacznie skracają czas przetwarzania i czas rozdzielania.
Kliknij tutaj, aby przeczytać więcej o ultradźwiękami wspomaganego transestryfikacji oleju do produkcji biodiesla!

Ultradźwiękowe odgazowywanie i odpowietrzanie cieczy

Odgazowywanie cieczy jest kolejnym ważnym zastosowaniem ultradźwięków sondowych. Wibracje ultradźwiękowe i kawitacja powodują koalescencję rozpuszczonych w cieczy gazów. Gdy drobne pęcherzyki gazu ulegają koalescencji, tworzą się z nich większe pęcherzyki, które szybko unoszą się na górnej powierzchni cieczy, skąd mogą zostać usunięte. W ten sposób ultradźwiękowe odgazowywanie i odpowietrzanie może obniżyć poziom rozpuszczonego gazu poniżej poziomu naturalnej równowagi.
Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się więcej o ultradźwiękowy odgazowania cieczy!

Ultradźwiękowy, kable i taśmy chemiczna

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

Co sprawia, że sonikacja jest doskonałą metodą przetwarzania?

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

1. Kawitacja: Jednym z głównych mechanizmów sonikacji jest tworzenie i zapadanie się drobnych pęcherzyków powietrza, zjawisko zwane kawitacją. Przy częstotliwości 20kHz, fale dźwiękowe mają właściwą częstotliwość do tworzenia i zapadania się pęcherzyków w sposób efektywny. Załamanie się tych pęcherzyków powoduje powstanie wysokoenergetycznych fal uderzeniowych, które mogą rozbić cząsteczki i zakłócić działanie komórek w sonikowanej cieczy.
2. Oscylacja i wibracja: Oprócz generowanej kawitacji akustycznej, oscylacje sondy ultradźwiękowej powodują dodatkowe mieszanie w cieczy, sprzyjając w ten sposób przenoszeniu masy i/lub odgazowaniu.
3. Penetracja: Fale dźwiękowe o częstotliwości 20kHz mają stosunkowo dużą długość fali, co pozwala im wnikać głęboko w ciecze. Kawitacja ultradźwiękowa jest zjawiskiem lokalizowanym, pojawiającym się w otoczeniu sondy ultradźwiękowej. Wraz ze wzrostem odległości od sondy intensywność kawitacji maleje. Jednak sonikacja przy 20kHz może skutecznie leczyć większe objętości cieczy, w porównaniu do sonikacji o wyższej częstotliwości, która ma krótsze fale i może być bardziej ograniczona w głębokości penetracji.
4. Niskie zużycie energii: Sonikacja może być przeprowadzona przy stosunkowo niskim zużyciu energii w porównaniu z innymi metodami przetwarzania, takimi jak homogenizacja pod wysokim ciśnieniem lub mieszanie mechaniczne. Dzięki temu jest to bardziej energooszczędna i opłacalna metoda przetwarzania cieczy.
5. Skalowalność liniowa: Procesy ultradźwiękowe mogą być skalowane liniowo do większych lub mniejszych objętości. Dzięki temu adaptacja procesu w produkcji jest niezawodna, ponieważ jakość produktu może być stale utrzymywana na stałym poziomie.
6. Przepływ wsadowy i liniowy: Sonikacja ultradźwiękowa może być przeprowadzana jako proces wsadowy lub ciągły w linii produkcyjnej. W przypadku sonikacji partii, sonda ultradźwiękowa jest wprowadzana do otwartego zbiornika lub zamkniętego reaktora wsadowego. Do sonikacji ciągłego strumienia przepływu instaluje się ultradźwiękową celę przepływową. Ciekłe medium przechodzi przez sonotrodę (ultradźwiękowo wibrujący pręt) w jednym przejściu lub w recyrkulacji i jest wysoce jednorodne i efektywnie wystawione na działanie fal ultradźwiękowych.

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

Zasada działania i zastosowanie obróbki ultradźwiękowej

Ultradźwięki to komercyjna technologia przetwarzania, która została przyjęta przez wiele gałęzi przemysłu do produkcji na dużą skalę. Wysoka niezawodność i scaleablility, jak również niskie koszty utrzymania i wysoka wydajność energetyczna sprawiają, że procesory ultradźwiękowe są dobrą alternatywą dla tradycyjnych urządzeń do przetwarzania cieczy. Ultradźwięki oferują dodatkowe ekscytujące możliwości: Kawitacja - podstawowy efekt ultradźwiękowy - daje wyjątkowe rezultaty w procesach biologicznych, chemicznych i fizycznych. Na przykład, ultradźwiękowa dyspersja i emulgacja z łatwością wytwarza stabilne nanoformacje. Również w dziedzinie ekstrakcji botanicznej, ultradźwięki są nietermiczną techniką izolacji związków bioaktywnych.

Podczas gdy ultradźwięki o niskiej intensywności lub wysokiej częstotliwości są stosowane 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 w ciekłym medium. Powoduje to naprzemienne cykle wysokiego ciśnienia (kompresja) i niskiego ciśnienia (rarefakcja), z szybkością zależną od częstotliwości. Podczas cyklu niskiego ciśnienia, fale ultradźwiękowe o dużej intensywności tworzą małe pęcherzyki próżniowe lub puste przestrzenie w cieczy. Kiedy pęcherzyki osiągają objętość, przy której nie mogą już absorbować energii, zapadają się gwałtownie podczas cyklu wysokiego ciśnienia. Zjawisko to określane jest mianem kawitacji. Podczas implozji osiągane są lokalnie bardzo wysokie temperatury (ok. 5000K) i ciśnienia (ok. 2000atm). W wyniku implozji bąbla 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 rozmiarze mikronowym lub nano; wspomagają ekstrakcję substancji takich jak enzymy z komórek zwierzęcych, roślinnych, drożdżowych lub bakteryjnych; usuwają wirusy z zainfekowanych tkanek; i wreszcie, erodują i rozbijają podatne cząstki, w tym mikroorganizmy. (por. Kuldiloke 2002)

Ultradźwięki o wysokim natężeniu powodują gwałtowne mieszanie w cieczach o niskiej lepkości, co można wykorzystać 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 dyfuzyjną warstwę graniczną, zwiększają konwekcyjne przenoszenie masy i znacznie przyspieszają dyfuzję w układach, w których zwykłe mieszanie nie jest możliwe. (por. Nyborg, 1965)

Literatura