Kawitacja ultradźwiękowa w cieczach

Kawitacja ultradźwiękowa jest siłą napędową przetwarzania cieczy za pomocą ultradźwięków o wysokiej intensywności. Gdy ultradźwięki o dużej mocy są sprzęgane z cieczą, powstają mikroskopijne pęcherzyki pary, które rosną i gwałtownie się zapadają. Ta kawitacja akustyczna wytwarza intensywne lokalne siły ścinające, mikrostrumienie, fale uderzeniowe, zmiany ciśnienia i efekty mikromieszania, które mogą przyspieszać homogenizację, dyspergowanie, emulgowanie, ekstrakcję, odgazowanie, rozbijanie komórek i reakcje sonochemiczne.

Sonikatory sondowe Hielscher wykorzystują kontrolowaną kawitację akustyczną do przenoszenia energii ultradźwiękowej bezpośrednio do cieczy, zawiesin i zawiesin o dużej zawartości fazy stałej. Od małych próbek laboratoryjnych po ciągłą przemysłową produkcję przepływową – systemy Hielscher umożliwiają regulację amplitudy, geometrii sonotrody, ciśnienia, temperatury, natężenia przepływu i czasu przebywania w celu uzyskania powtarzalnych efektów kawitacji.

• Dla laboratoriów: opracowuj i optymalizuj parametry sonikacji w małych objętościach.
• Dla instalacji pilotażowych: waliduj procesy oparte na kawitacji w realistycznych warunkach przetwarzania.
• Dla produkcji: zwiększaj skalę zastosowania kawitacji ultradźwiękowej w procesach okresowych, recyrkulacyjnych lub ciągłych prowadzonych bezpośrednio w linii.

Zasada działania kawitacji ultradźwiękowej

Podczas sonikacji cieczy przy wysokich intensywnościach fale dźwiękowe rozchodzące się w ośrodku ciekłym powodują naprzemienne cykle wysokiego ciśnienia (sprężania) i niskiego ciśnienia (rozrzedzania), których tempo zależy od częstotliwości. W cyklu niskiego ciśnienia fale ultradźwiękowe o wysokiej intensywności tworzą w cieczy małe pęcherzyki próżniowe lub puste przestrzenie. Gdy pęcherzyki osiągną objętość, przy której nie mogą już pochłaniać energii, gwałtownie zapadają się w cyklu wysokiego ciśnienia. Zjawisko to nazywa się kawitacją. Podczas implozji lokalnie osiągane są bardzo wysokie temperatury (ok. 5 000K) i ciśnienia (ok. 2 000atm). Implozja pęcherzyka kawitacyjnego powoduje również powstawanie strumieni cieczy o prędkości do 280m/s.

Kawitacja akustyczna (generowana przez ultradźwięki o dużej mocy) tworzy lokalnie ekstremalne warunki, tzw. efekty sonomechaniczne i sonochemiczne. Dzięki tym efektom sonikacja sprzyja reakcjom chemicznym prowadzącym do wyższych uzysków, większej szybkości reakcji, nowych dróg reakcji i poprawy ogólnej efektywności.

Główne zastosowania sonikatorów i kawitacji akustycznej

Sonikatory sondowe, znane również jako sondy ultradźwiękowe, efektywnie generują intensywną kawitację akustyczną w cieczach. Dlatego są szeroko stosowane w różnych zastosowaniach w wielu branżach. Do najważniejszych zastosowań kawitacji akustycznej generowanej przez sonikatory sondowe należą:
 

1. Homogenizacja: Sondy ultradźwiękowe mogą generować intensywną kawitację, którą charakteryzuje pole drgań i sił ścinających o wysokiej gęstości energii. Siły te zapewniają doskonałe mieszanie, łączenie składników i zmniejszanie wielkości cząstek. Homogenizacja ultradźwiękowa pozwala uzyskiwać równomiernie wymieszane zawiesiny. Dlatego sonikację stosuje się do wytwarzania jednorodnych zawiesin koloidalnych o wąskich krzywych rozkładu.
2. Dyspergowanie nanocząstek: Sonikatory są wykorzystywane do dyspergowania, deaglomeracji i mielenia nanocząstek na mokro. Fale ultradźwiękowe o niskiej częstotliwości mogą generować silnie oddziałującą kawitację, która rozbija aglomeraty i zmniejsza wielkość cząstek. W szczególności intensywne ścinanie wywołane przez strumienie cieczy przyspiesza cząstki w cieczy, które zderzają się ze sobą (zderzenia międzycząstkowe), w wyniku czego pękają i ulegają erozji. Prowadzi to do równomiernego i stabilnego rozkładu cząstek, zapobiegającego sedymentacji. Ma to kluczowe znaczenie w różnych dziedzinach, w tym w nanotechnologii, nauce o materiałach i farmacji.
3. Emulgowanie i mieszanie: Sonikatory sondowe są stosowane do tworzenia emulsji i mieszania cieczy. Energia ultradźwiękowa powoduje kawitację, czyli powstawanie i zapadanie się mikroskopijnych pęcherzyków, co generuje intensywne lokalne siły ścinające. Proces ten wspomaga emulgowanie niemieszających się cieczy, prowadząc do powstawania stabilnych emulsji o drobno rozproszonej fazie.
4. Ekstrakcja: Dzięki kawitacyjnym siłom ścinającym sonikatory są bardzo efektywne w rozbijaniu struktur komórkowych i poprawie przenoszenia masy między fazą stałą a cieczą. Dlatego ekstrakcja ultradźwiękowa jest szeroko stosowana do uwalniania materiału wewnątrzkomórkowego, takiego jak związki bioaktywne, w celu produkcji wysokiej jakości ekstraktów roślinnych.
5. Odgazowanie i odpowietrzanie: Sonikatory sondowe są wykorzystywane do usuwania pęcherzyków gazu lub rozpuszczonych gazów z cieczy. Zastosowanie kawitacji ultradźwiękowej sprzyja koalescencji pęcherzyków gazu, dzięki czemu rosną i wypływają na powierzchnię cieczy. Kawitacja ultradźwiękowa sprawia, że odgazowanie jest szybkim i efektywnym zabiegiem. Jest to cenne w różnych branżach, na przykład w produkcji farb, płynów hydraulicznych lub przetwórstwie żywności i napojów, gdzie obecność gazów może negatywnie wpływać na jakość i stabilność produktu.
6. Sonokataliza: Sondy ultradźwiękowe mogą być stosowane do sonokatalizy, procesu łączącego kawitację akustyczną z katalizatorami w celu usprawnienia reakcji chemicznych. Kawitacja generowana przez fale ultradźwiękowe poprawia przenoszenie masy, zwiększa szybkość reakcji i sprzyja powstawaniu wolnych rodników, prowadząc do bardziej efektywnych i selektywnych przemian chemicznych.
7. Przygotowanie próbek: Sonikatory sondowe są powszechnie stosowane w laboratoriach do przygotowania próbek. Służą do homogenizacji, rozbijania agregatów i ekstrakcji próbek biologicznych, takich jak komórki, tkanki i wirusy. Energia ultradźwiękowa generowana przez sondę rozbija błony komórkowe, uwalniając zawartość komórek i ułatwiając dalszą analizę.
8. Dezintegracja i rozbijanie komórek: Sonikatory sondowe są wykorzystywane do dezintegracji i rozbijania komórek oraz tkanek w różnych celach, takich jak ekstrakcja składników wewnątrzkomórkowych, inaktywacja drobnoustrojów lub przygotowanie próbek do analizy. Fale ultradźwiękowe o wysokiej intensywności i generowana przez nie kawitacja powodują naprężenia mechaniczne oraz siły ścinające, prowadząc do dezintegracji struktur komórkowych. W badaniach biologicznych i diagnostyce medycznej sonikatory sondowe są stosowane do lizy komórek, czyli procesu rozbijania komórek w celu uwolnienia ich składników wewnątrzkomórkowych. Energia ultradźwiękowa rozbija ściany komórkowe, błony i organelle, umożliwiając ekstrakcję białek, DNA, RNA i innych składników komórkowych.

 
Są to niektóre z głównych zastosowań sonikatorów sondowych, ale technologia ta ma jeszcze szerszy zakres innych zastosowań, w tym sonochemię, zmniejszanie wielkości cząstek (mielenie na mokro), syntezę cząstek metodą bottom-up oraz sonosyntezę substancji chemicznych i materiałów w różnych branżach, takich jak farmacja, przetwórstwo żywności, biotechnologia i nauki o środowisku.

Sekwencja klatek zarejestrowanych z dużą szybkością (od a do f), ilustrująca sonomechaniczną eksfoliację płatka grafitu w wodzie przy użyciu UP200S, sonikatora o mocy 200W z sonotrodą 3-mm. Strzałki wskazują miejsce rozszczepiania cząstek, a pęcherzyki kawitacyjne wnikają w szczelinę.
© Tyurnina et al. 2020

Poniższa tabela przedstawia orientacyjną, przybliżoną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów:

Film przedstawiający kawitację akustyczną w cieczy

Poniższy film przedstawia kawitację akustyczną przy sonotrodzie typu cascatrode sonikatora UIP1000hdT w szklanej kolumnie wypełnionej wodą. Szklana kolumna jest oświetlona od dołu czerwonym światłem, aby poprawić widoczność pęcherzyków kawitacyjnych.