Procesare cu ultrasunete pentru lichide, suspensii dense și reacții chimice
Ultrasonicarea este o metodă mecanică de procesare care generează cavitație acustică și forțe fizice de intensitate foarte ridicată. Prin urmare, ultrasunetele sunt utilizate pentru numeroase aplicații, cum ar fi amestecarea, omogenizarea, măcinarea, dispersarea, emulsionarea, extracția, degazarea și reacțiile sonochimice.
Găsiți aplicația dumneavoastră în tabelul de mai jos, faceți clic pe link și accesați direct procesul care vă interesează! Aflați cum îmbunătățește sonicarea procesul și eficiența acestuia.
| Aplicație | Ideală pentru |
|---|---|
| Omogenizare | Obținerea de suspensii, emulsii și amestecuri lichide uniforme |
| Dispersare și dezaglomerare | Spargerea aglomeratelor de particule și distribuirea uniformă a solidelor în lichide |
| Emulsionare | Producerea de micro- și nanoemulsii stabile, cu dimensiuni fine ale picăturilor |
| Măcinare umedă | Micronizarea și reducerea la dimensiuni nanometrice a particulelor în suspensii lichide |
| Dezintegrare celulară și liză | Dezintegrarea celulelor de mamifere, vegetale, bacteriene, de alge și de drojdie ca etapă de pregătire preanalitică a probelor. |
| Extracție | Recuperarea compușilor bioactivi, a uleiurilor, a proteinelor și a extractelor naturale |
| Sonochimie | Accelerarea reacțiilor chimice și îmbunătățirea eficienței proceselor |
| Producția de biodiesel | Intensificarea transesterificării și reducerea timpilor de reacție |
| Degazare și eliminarea spumei | Eliminarea gazelor dizolvate și a aerului antrenat din lichide |
| Curățarea inline a sârmelor și profilelor | Curățarea inline a sârmelor, cablurilor, benzilor, tuburilor și profilelor |
| Cavitație acustică | Înțelegerea principiului fizic care stă la baza procesării cu ultrasunete |
Aveți în vedere o anumită aplicație sau un anumit volum?
Contactați inginerii noștri de aplicații pentru o consultanță gratuită privind procesul sau solicitați o demonstrație.
UIP1000hdT este un ultrasonicator puternic de 1000 de wați pentru aplicații de omogenizare, măcinare și extracție.
Omogenizare cu ultrasunete
Omogenizatoarele cu ultrasunete reduc particulele mici dintr-un lichid pentru a îmbunătăți uniformitatea și stabilitatea dispersiei. Particulele (faza dispersă) pot fi solide sau picături de lichid suspendate într-o fază lichidă. Omogenizarea cu ultrasunete este foarte eficientă pentru reducerea particulelor moi și dure. Hielscher produce ultrasonicatoare pentru omogenizarea oricărui volum de lichid, atât pentru procesarea în șarje, cât și pentru procesarea inline. Dispozitivele ultrasonice de laborator pot fi utilizate pentru volume de la 1,5mL până la aprox. 4L. Dispozitivele ultrasonice industriale pot procesa șarje de la 0,5 până la aprox. 2000L sau debite de la 0,1L până la 20 de metri cubi pe oră, în dezvoltarea proceselor și în producția comercială.
Descoperiți puterea omogenizării cu ultrasunete!
Dispersare și dezaglomerare cu ultrasunete
Dispersarea și dezaglomerarea solidelor în lichide reprezintă o aplicație importantă a ultrasonicatoarelor cu sondă. Cavitația ultrasonică / acustică generează forțe de forfecare ridicate, care sparg aglomeratele de particule în particule individuale, dispersate separat. Amestecarea pulberilor în lichide este o etapă obișnuită în formularea diverselor produse, cum ar fi vopselele, lacurile, produsele cosmetice, alimentele și băuturile sau mediile de lustruire. Particulele individuale sunt menținute împreună de forțe de atracție de natură fizică și chimică diversă, inclusiv forțele van der Waals și tensiunea superficială a lichidului. Ultrasonicarea învinge aceste forțe de atracție pentru a dezaglomera și a dispersa particulele în medii lichide. Pentru dispersarea și dezaglomerarea pulberilor în lichide, ultrasonicarea de intensitate ridicată este o alternativă interesantă la omogenizatoarele de înaltă presiune, mixerele cu forfecare ridicată, morile cu bile sau mixerele rotor-stator.
Obțineți informații detaliate despre dispersarea și dezaglomerarea cu ultrasunete!
Emulsionare cu ultrasunete
O gamă largă de produse intermediare și de consum, cum ar fi cosmeticele și loțiunile pentru piele, unguentele farmaceutice, lacurile, vopselele, lubrifianții și combustibilii, se bazează integral sau parțial pe emulsii. Emulsiile sunt dispersii a două sau mai multe faze lichide nemiscibile. Ultrasunetele de intensitate foarte ridicată furnizează o forfecare suficient de intensă pentru a dispersa o fază lichidă (faza dispersă) sub formă de picături mici într-o a doua fază (faza continuă). În zona de dispersare, bulele de cavitație care implodează provoacă unde de șoc intense în lichidul înconjurător și duc la formarea unor jeturi de lichid cu viteză mare (forfecare ridicată). Ultrasonicarea poate fi adaptată cu precizie la dimensiunea țintă a emulsiei, permițând astfel producerea fiabilă de microemulsii și nanoemulsii.
Faceți clic aici pentru a citi mai multe despre emulsionarea cu ultrasunete!
Măcinare umedă și mărunțire cu ultrasunete
Ultrasonicarea este un mijloc eficient pentru măcinarea umedă și micromăcinarea particulelor. În special pentru fabricarea suspensiilor dense cu particule superfine, ultrasunetele au numeroase avantaje. Acestea sunt superioare echipamentelor tradiționale de reducere a dimensiunii, cum ar fi: morile coloidale (de ex. mori cu bile de tip „ball mill” și de tip „bead mill”), morile cu discuri sau morile cu jet. Ultrasonicarea poate procesa suspensii dense cu concentrație ridicată și vâscozitate ridicată – reducând astfel volumul de procesat. Desigur, măcinarea cu ultrasunete este adecvată pentru procesarea materialelor de dimensiuni micronice și nanometrice, cum ar fi ceramica, pigmenții, sulfatul de bariu, carbonatul de calciu sau oxizii metalici. În special în cazul nanomaterialelor, ultrasonicarea excelează în performanță, deoarece forțele sale de forfecare cu impact puternic creează nanoparticule uniform de mici.
Citiți mai multe despre măcinarea umedă și micromăcinarea cu ultrasunete!
TiO2 uscat prin pulverizare înainte și după măcinarea cu ultrasunete
Dezintegrare celulară și liză cu ultrasunete
Tratamentul cu ultrasunete poate dezintegra materialul fibros, celulozic în particule fine și poate rupe pereții structurii celulare. Acest lucru eliberează în lichid o cantitate mai mare de material intracelular, cum ar fi amidonul sau zahărul. Acest efect poate fi utilizat pentru fermentare, digestie și alte procese de conversie a materiei organice. După măcinare și mărunțire, ultrasonicarea face ca o cantitate mai mare de material intracelular, de ex. amidon, precum și resturile pereților celulari să devină disponibile pentru enzimele care transformă amidonul în zaharuri. De asemenea, crește suprafața expusă enzimelor în timpul lichefierii sau al zaharificării. Aceasta crește de regulă viteza și randamentul fermentației cu drojdie și ale altor procese de conversie, de ex. pentru a stimula producția de etanol din biomasă.
Citiți mai multe despre dezintegrarea cu ultrasunete a structurilor celulare!
Extracția cu ultrasunete a produselor botanice
Extracția compușilor bioactivi stocați în celule și în particule subcelulare este o aplicație larg răspândită a ultrasunetelor de intensitate ridicată. Extracția cu ultrasunete este utilizată pentru izolarea metaboliților secundari (de ex. polifenoli), a polizaharidelor, a proteinelor, a uleiurilor esențiale și a altor ingrediente active din matricea celulară a plantelor și a ciupercilor. Adecvată pentru extracția cu apă și cu solvenți a compușilor organici, sonicarea îmbunătățește semnificativ randamentul compușilor botanici conținuți în plante sau semințe. Extracția cu ultrasunete este utilizată pentru producția de produse farmaceutice, nutraceutice / suplimente nutritive, parfumuri și aditivi biologici. Ultrasunetele reprezintă o tehnică de extracție verde, utilizată și pentru extracția componentelor bioactive în biorafinării, de ex. pentru eliberarea compușilor valoroși din fluxurile de subproduse neutilizate formate în procesele industriale. Ultrasonicarea este o tehnologie foarte eficientă pentru extracția botanică la scară de laborator și de producție.
Explorați avantajele extracției cu ultrasunete!
Reactor cu ultrasunete de 16.000 de wați pentru procesarea lichidelor îmbunătățită cu ultrasunete.
Aplicația sonochimică a ultrasunetelor
Sonochimia este aplicarea ultrasunetelor în reacțiile și procesele chimice. Mecanismul care provoacă efectele sonochimice în lichide este fenomenul de cavitație acustică. Efectele sonochimice asupra reacțiilor și proceselor chimice includ creșterea vitezei de reacție sau a producției, utilizarea mai eficientă a energiei, îmbunătățirea performanței catalizatorilor de transfer de fază, activarea metalelor și a solidelor sau creșterea reactivității reactivilor sau a catalizatorilor.
Explorați efectele sonochimice ale ultrasunetelor!
Transesterificarea cu ultrasunete a uleiului (uzat) în biodiesel
Ultrasonicarea crește viteza reacției chimice și randamentul transesterificării uleiurilor vegetale și a grăsimilor animale în biodiesel. Aceasta permite trecerea producției de la procesarea în șarje la procesarea în flux continuu și reduce costurile de investiție și de operare. Unul dintre avantajele majore ale fabricării biodieselului cu ultrasunete este utilizarea uleiurilor uzate, cum ar fi uleiurile de gătit uzate și alte surse de ulei de calitate slabă. Transesterificarea cu ultrasunete poate transforma chiar și materiile prime de calitate scăzută în biodiesel de înaltă calitate (ester metilic al acizilor grași / FAME). Fabricarea biodieselului din uleiuri vegetale sau grăsimi animale implică transesterificarea acizilor grași, catalizată bazic, cu metanol sau etanol, pentru a obține esterii metilici sau esterii etilici corespunzători. Ultrasonicarea poate atinge un randament de biodiesel de peste 99%. Ultrasunetele reduc semnificativ timpul de procesare și timpul de separare.
Faceți clic aici pentru a citi mai multe despre transesterificarea asistată de ultrasunete a uleiului în biodiesel!
Degazarea, dezaerarea și eliminarea spumei din lichide cu ultrasunete
Degazarea lichidelor este o altă aplicație importantă a ultrasonicatoarelor cu sondă. Vibrațiile ultrasonice și cavitația provoacă coalescența gazelor dizolvate într-un lichid. Pe măsură ce bulele minuscule de gaz coalescă, ele formează astfel bule mai mari, care se ridică rapid la suprafața lichidului, de unde pot fi îndepărtate. Astfel, degazarea și dezaerarea cu ultrasunete pot reduce nivelul gazului dizolvat sub nivelul natural de echilibru.
Faceți clic aici pentru a citi mai multe despre degazarea lichidelor cu ultrasunete!
Curățarea cu ultrasunete a sârmelor, cablurilor și benzilor
Curățarea cu ultrasunete este o alternativă ecologică pentru curățarea materialelor continue, cum ar fi sârma și cablul, banda sau tuburile. Efectul cavitației ultrasonice puternice îndepărtează de pe suprafața materialului reziduurile de lubrifiere, precum uleiul sau unsoarea, săpunurile, stearații sau praful. Hielscher Ultrasonics oferă diverse sisteme cu ultrasunete pentru curățarea inline a profilelor continue.
Faceți clic aici pentru mai multe informații despre curățarea cu ultrasunete a profilelor continue!
Contactați-ne! / Întrebați-ne!
Ce face din sonicare o metodă de procesare superioară?
Sonicarea, adică utilizarea undelor sonore de înaltă frecvență pentru agitarea lichidelor, este o metodă de procesare eficientă din mai multe motive. Iată câteva motive pentru care sonicarea la intensitate ridicată și frecvență joasă, de aprox. 20kHz, este deosebit de eficace și avantajoasă pentru procesarea lichidelor și a suspensiilor dense:
- Cavitație: Unul dintre principalele mecanisme ale sonicării este formarea și colapsul unor bule minuscule, fenomen numit cavitație. La 20kHz, undele sonore au exact frecvența potrivită pentru a forma bulele și a le face să colapseze în mod eficient. Colapsul acestor bule produce unde de șoc de energie ridicată, care pot dezintegra particulele și pot distruge celulele din lichidul supus sonicării.
- Oscilație și vibrație: Pe lângă cavitația acustică generată, oscilația sonotrodei ultrasonice creează agitare și amestecare suplimentară în lichid, favorizând astfel transferul de masă și/sau degazarea.
- Penetrare: Undele sonore la 20kHz au o lungime de undă relativ mare, ceea ce le permite să pătrundă adânc în lichide. Cavitația ultrasonică este un fenomen localizat, care apare în jurul sonotrodei ultrasonice. Odată cu creșterea distanței față de sonotrodă, intensitatea cavitației scade. Cu toate acestea, sonicarea la 20kHz poate trata eficient volume mai mari de lichid, comparativ cu sonicarea la frecvență mai înaltă, care are lungimi de undă mai mici și poate fi mai limitată în ceea ce privește adâncimea de penetrare.
- Consum redus de energie: Sonicarea poate fi realizată cu un consum de energie relativ redus în comparație cu alte metode de procesare, cum ar fi omogenizarea la presiune înaltă sau agitarea mecanică. Acest lucru o face o metodă mai eficientă energetic și mai rentabilă pentru procesarea lichidelor.
- Scalabilitate liniară: Procesele cu ultrasunete pot fi scalate complet liniar la volume mai mari sau mai mici. Acest lucru face ca adaptările proceselor în producție să fie fiabile, deoarece calitatea produsului poate fi menținută continuu stabilă.
- Procesare în șarje și în flux inline: Ultrasonicarea poate fi realizată sub formă de procese în șarje sau de procese inline continue. Pentru sonicarea șarjelor, sonotroda ultrasonică este introdusă în vasul deschis sau în reactorul închis pentru șarje. Pentru sonicarea unui flux continuu, se instalează o celulă de flux cu ultrasunete. Mediul lichid trece pe lângă sonotrodă (tija care vibrează ultrasonic) într-o singură trecere sau în recirculare și este expus foarte uniform și eficient undelor ultrasonice.
În ansamblu, forțele intense ale cavitației, consumul redus de energie și scalabilitatea procesului fac din sonicarea de frecvență joasă și putere mare o metodă eficientă pentru procesarea lichidelor.
Principiul de funcționare și utilizarea procesării cu ultrasunete
Ultrasonicarea este o tehnologie de procesare comercială, care a fost adoptată de numeroase industrii pentru producția la scară largă. Fiabilitatea și scalabilitatea ridicate, precum și costurile reduse de întreținere și eficiența energetică ridicată fac din procesoarele cu ultrasunete o alternativă bună la echipamentele tradiționale de procesare a lichidelor. Ultrasunetele oferă oportunități suplimentare interesante: cavitația – efectul ultrasonic fundamental – produce rezultate unice în procesele biologice, chimice și fizice. De exemplu, dispersarea și emulsionarea cu ultrasunete produc cu ușurință formulări stabile de dimensiuni nanometrice. De asemenea, în domeniul extracției botanice, ultrasunetele reprezintă o tehnică netermică pentru izolarea compușilor bioactivi.
Amestecarea cu ultrasunete se bazează pe cavitația acustică și pe forțele sale de forfecare hidrodinamice.
În timp ce ultrasunetele de intensitate scăzută sau de înaltă frecvență sunt utilizate în principal pentru analiză, testare nedistructivă și imagistică, ultrasunetele de intensitate ridicată sunt utilizate pentru procesarea lichidelor și a pastelor, unde undele ultrasonice intense sunt folosite pentru amestecare, emulsionare, dispersare și dezaglomerare, dezintegrare celulară sau dezactivarea enzimelor. La sonicarea lichidelor la intensități ridicate, undele sonore se propagă prin mediul lichid. Aceasta are ca rezultat alternarea ciclurilor de presiune înaltă (compresie) și de presiune joasă (rarefiere), cu o rată care depinde de frecvență. În timpul ciclului de presiune joasă, undele ultrasonice de intensitate ridicată creează în lichid mici bule de vid sau goluri. Când bulele ating un volum la care nu mai pot absorbi energie, ele colapsează violent în timpul unui ciclu de presiune înaltă. Acest fenomen se numește cavitație. În timpul imploziei se ating local temperaturi foarte ridicate (aprox. 5.000K) și presiuni foarte ridicate (aprox. 2.000atm). Implozia bulei de cavitație are ca rezultat, de asemenea, jeturi de lichid cu viteze de până la 280 de metri pe secundă.
Cavitația ultrasonică în lichide poate provoca o degazare rapidă și completă; poate iniția diverse reacții chimice prin generarea de ioni chimici liberi (radicali); poate accelera reacțiile chimice prin facilitarea amestecării reactanților; poate intensifica reacțiile de polimerizare și depolimerizare prin dispersarea agregatelor sau prin ruperea permanentă a legăturilor chimice din lanțurile polimerice; poate crește ratele de emulsionare; poate îmbunătăți ratele de difuzie; poate produce emulsii foarte concentrate sau dispersii uniforme de materiale de dimensiuni micronice sau nanometrice; poate facilita extracția unor substanțe, cum ar fi enzimele, din celule animale, vegetale, de drojdie sau bacteriene; poate elimina virusurile din țesuturile infectate; și, în final, poate eroda și dezintegra particulele susceptibile, inclusiv microorganismele. (cf. Kuldiloke 2002)
Ultrasunetele de intensitate ridicată produc o agitare violentă în lichidele cu vâscozitate scăzută, care poate fi utilizată pentru dispersarea materialelor în lichide. (cf. Ensminger, 1988) La interfețele lichid/solid sau gaz/solid, implozia asimetrică a bulelor de cavitație poate provoca turbulențe extreme, care reduc stratul limită de difuzie, cresc transferul de masă prin convecție și accelerează considerabil difuzia în sistemele în care amestecarea obișnuită nu este posibilă. (cf. Nyborg, 1965)
Cavitație ultrasonică puternică la Hielscher Cascatrode
Întrebări frecvente despre sonicatoarele pentru laborator, de masă și industriale
Sunt procesoarele cu ultrasunete Hielscher concepute pentru aplicații industriale grele?
Da. Dispozitivele ultrasonice industriale Hielscher sunt proiectate în mod explicit pentru a funcționa continuu la sarcină ridicată în medii industriale grele. Cu puteri de ieșire cuprinse între 500 de wați și 16 kilowați pe unitate, acestea sunt construite pentru a face față cerințelor riguroase ale proceselor de producție la scară largă, pe care dispozitivele de laborator nu le pot gestiona.
Cât de durabile sunt sonicatoarele Hielscher în condiții dificile?
Sonicatoarele Hielscher sunt construite pentru o durabilitate remarcabilă. Fiecare componentă a seriei UIP este proiectată și testată meticulos pentru performanță pe termen lung. În instalațiile reale din întreaga lume, aceste sisteme rezistă în mod curent la amplasarea în exterior, la expunerea la aer cu praf, la lichide pulverizate și la manipularea brutală, fără ca funcționalitatea să le fie compromisă.
Se poate conta pe echipamentele Hielscher pentru funcționare continuă, 24/7?
Absolut. Fiabilitatea este un pilon central al designului Hielscher de nivel industrial. Procesoarele cu ultrasunete ale companiei sunt construite special pentru funcționarea continuă în medii solicitante, asigurând o calitate constantă a procesării și timpi de nefuncționare minimi pentru linia dumneavoastră de producție. Această fiabilitate este esențială atunci când volumele de procesare cresc și costurile operaționale contează.
Ce face ca dispozitivele ultrasonice Hielscher să fie adecvate pentru medii industriale solicitante?
Dispozitivele Hielscher excelează în medii solicitante deoarece combină puterea mare, construcția robustă și eficiența energetică excepțională. Procesoarele lor industriale mențin o eficiență de peste 85%, ceea ce nu numai că reduce costurile cu energia electrică, ci asigură și o putere mecanică stabilă la sarcini mari. Acest lucru le face ideale pentru aplicații dificile de procesare a lichidelor, precum producția de biodiesel, măcinarea pigmenților și formularea nanomaterialelor.
Oferă sonicatoarele industriale Hielscher longevitate pe termen lung?
Da, longevitatea este un principiu fundamental de proiectare pentru Hielscher. Deoarece fiecare componentă este testată riguros pentru performanță susținută, aceste sisteme sunt construite să reziste ani de utilizare continuă. Combinate cu eficiența ridicată a conversiei energiei și cu calitatea robustă a construcției, procesoarele Hielscher oferă performanțe fiabile și de lungă durată chiar și în cele mai intensive medii industriale.
Cum asigură Hielscher fiabilitatea echipamentelor la trecerea de la scara de laborator la cea de producție?
Hielscher abordează scalabilitatea oferind clustere de unități industriale care asigură redundanță sporită și adaptabilitatea capacității. Prin utilizarea mai multor procesoare de mare putere (de ex. clustere de 6xUIP10000), instalațiile pot menține o funcționare fiabilă și continuă în timp ce procesează volume foarte mari (de până la 50 de metri cubi pe oră), fără a suprasolicita componentele individuale. Această abordare modulară, pentru regim greu, garantează atât fiabilitatea, cât și consecvența procesului la scară mare.
Bibliografie
- Seyed Mohammad Mohsen Modarres-Gheisari, Roghayeh Gavagsaz-Ghoachani, Massoud Malaki, Pedram Safarpour, Majid Zandi (2019): Ultrasonic nano-emulsification – A review. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 52, 2019. 88-105.
- 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.
- Petigny L., Périno-Issartier S., Wajsman J., Chemat F. (2013): Batch and Continuous Ultrasound Assisted Extraction of Boldo Leaves (Peumus boldus Mol.). International Journal of Molecular Science 14, 2013. 5750-5764.
- Ensminger, D. E. (1988): Acoustic and electroacoustic methods of dewatering and drying, in: Drying Tech. 6, 473 (1988).
- Kuldiloke, J. (2002): Effect of Ultrasound, Temperature and Pressure Treatments on Enzyme Activity an Quality Indicators of Fruit and Vegetable Juices; Ph.D. Thesis at Technische Universität Berlin (2002).
- Nyborg, W.L. (1965): Acoustic Streaming, Vol. 2B, Academic Press, New York (1965).
Reactor cu ultrasunete cu sonotrode de 4x 2000 de wați (8kW) pentru procese sonochimice.
Hielscher Ultrasonics produce omogenizatoare cu ultrasunete de înaltă performanță, de la dimensiuni de laborator până la dimensiuni industriale.