Ultrasonics: aplicații și procese

Ultrasonication este o metodă de prelucrare mecanică care creează cavitație acustică și forțe fizice extrem de intense. Prin urmare, ultrasunetele sunt utilizate pentru numeroase aplicații, ar fi amestecarea, omogenizarea, frezarea, dispersia, emulsionarea, extracția, degazarea și reacțiile sono-chimice.
Mai jos, veți afla totul despre aplicațiile și procesele tipice cu ultrasunete.

omogenizare cu ultrasunete

Omogenizatoare cu ultrasunete reduce particulele mici într-un lichid pentru a îmbunătăți uniformitatea și stabilitatea dispersiei. Particulele (faza dispersată) pot fi solide sau picături lichide suspendate într-o fază lichidă. Omogenizarea cu ultrasunete este foarte eficientă pentru reducerea particulelor moi și dure. Hielscher produce ultrasonicators pentru omogenizarea oricărui volum lichid și pentru lot sau inline de prelucrare. Dispozitive cu ultrasunete de laborator pot fi utilizate pentru volume de la 1.5mL la aprox. 4L. Dispozitivele industriale cu ultrasunete pot procesa loturi de la 0,5 la aproximativ 2000L sau debite de la 0,1L la 20 de metri cubi pe oră în dezvoltarea procesului și în producția comercială.
Click aici pentru a citi mai multe despre omogenizarea cu ultrasunete!

Dispersie cu ultrasunete și dezaglomerare

Dispersia și dezaglomerarea solidelor în lichide este o aplicație importantă a ultrasonicators de tip sondă. Cavitația ultrasonică / acustică generează forțe mari de forfecare care sparg aglomeratele de particule în particule individuale, dispersate unice. Amestecarea pulberilor în lichide este un pas obișnuit în formularea diferitelor produse, cum ar fi vopsea, lac, produse cosmetice, alimente și băuturi sau medii de lustruire. Particulele individuale sunt ținute împreună de forțe de atracție de natură fizică și chimică, inclusiv forțele van-der-Waals și tensiunea superficială lichidă. Ultrasonication depășește aceste forțe de atracție pentru a deaglomera și dispersa particulele în medii lichide. Pentru dispersarea și dezaglomerarea pulberilor în lichide, ultrasonication de înaltă intensitate este o alternativă interesantă la omogenizatoare de înaltă presiune, mixere de forfecare mare, mori de margele sau rotor-stator-mixere.
Click aici pentru a citi mai multe despre dispersie cu ultrasunete și dezaglomerare!

Emulsionare cu ultrasunete

O gamă largă de produse intermediare și de consum, cum ar fi produsele cosmetice și loțiunile pentru piele, unguentele farmaceutice, lacurile, vopselele, lubrifianții și combustibilii se bazează integral sau parțial pe emulsii. Emulsiile sunt dispersii de două sau mai multe faze lichide nemiscibile. Ultrasunetele foarte intense furnizează suficientă forfecare intensă pentru a dispersa o fază lichidă (faza dispersată) în picături mici într-o a doua fază (faza continuă). În zona de dispersie, bulele de cavitație care implodează provoacă unde de șoc intense în lichidul înconjurător și duc la formarea de jeturi lichide cu viteză mare a lichidului (forfecare mare). Ultrasonication poate fi adaptat cu precizie la dimensiunea emulsiei țintă, permițând astfel producerea fiabilă de micro-emulsii și nano-emulsii.
Click aici pentru a citi mai multe despre emulsionarea cu ultrasunete!

Frezare umedă cu ultrasunete și măcinare

Ultrasonication este un mijloc eficient pentru frezarea umedă și micro-măcinarea particulelor. În special pentru fabricarea suspensiilor de dimensiuni superfine, ultrasunetele au multe avantaje. Este superior echipamentelor tradiționale de reducere a dimensiunilor, cum ar fi: morile coloidale (de exemplu, mori cu bile, mori de mărgele), mori cu discuri sau mori cu jet. Ultrasonication poate procesa suspensii de înaltă concentrație și vâscozitate ridicată – reducând astfel volumul care urmează să fie procesat. Desigur, frezarea cu ultrasunete este potrivită pentru prelucrarea materialelor de dimensiuni micronice și nano, cum ar fi ceramica, pigmenții, sulfatul de bariu, carbonatul de calciu sau oxizii metalici. Mai ales când vine vorba de nano-materiale, ultrasonication excelează în performanță, deoarece forțele sale de forfecare cu impact ridicat creează nanoparticule uniform mici.
Click aici pentru a citi mai multe despre frezarea umedă cu ultrasunete și micro-măcinare!

TiO2 uscat prin pulverizare înainte și după frezarea cu ultrasunete

Dezintegrarea celulelor cu ultrasunete și liza

Tratamentul cu ultrasunete poate dezintegra materialul fibros, celulozic în particule fine și rupe pereții structurii celulare. Acest lucru eliberează mai mult din materialul intracelular, cum ar fi amidonul sau zahărul în lichid. Acest efect poate fi utilizat pentru fermentație, digestie și alte procese de conversie a materiei organice. După măcinare și măcinare, ultrasonication face mai mult din materialul intra-celular, de exemplu, amidon, precum și resturile peretelui celular disponibile enzimelor care transformă amidonul în zaharuri. De asemenea, crește suprafața expusă enzimelor în timpul lichefierii sau zaharificării. Acest lucru crește de obicei viteza și randamentul fermentației drojdiei și a altor procese de conversie, de exemplu pentru a stimula producția de etanol din biomasă.
Click aici pentru a citi mai multe despre dezintegrarea cu ultrasunete a structurilor celulare!

Extracția cu ultrasunete a Botanicals

Extracția compușilor bioactivi stocați în celule și particule subcelulare este o aplicație utilizată pe scară largă a ultrasunetelor de înaltă intensitate. Extracția cu ultrasunete este utilizată pentru a izola metaboliții secundari (de exemplu, polifenoli), polizaharide, proteine, uleiuri esențiale și alte ingrediente active din matricea celulară a plantelor și ciupercilor. Potrivit pentru extracția cu apă și solvent a compușilor organici, sonicare îmbunătățește semnificativ randamentul plantelor conținute în plante sau semințe. Extracția cu ultrasunete este utilizată pentru producția de produse farmaceutice, nutraceutice / suplimente nutritive, parfumuri și aditivi biologici. Ultrasonics este o tehnică de extracție verde, de asemenea, utilizat pentru extracția componentelor bioactive în biorafinării, de exemplu, eliberarea compușilor valoroși din fluxurile de produse secundare neutilizate formate în procesele industriale. Ultrasonication este o tehnologie extrem de eficientă pentru extracția botanică la laborator și la scară de producție.
Click aici pentru mai multe informații despre extracția cu ultrasunete!

Aplicarea sonochimică a ultrasunetelor

Sonochemistry este aplicarea ultrasunetelor la reacțiile și procesele chimice. Mecanismul care provoacă efecte 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 solidelor sau creșterea reactivității reactivilor sau catalizatorilor.
Faceți clic aici pentru a citi mai multe despre efectele sonochimice ale ultrasunetelor!

Transesterificarea cu ultrasunete a uleiului la biodiesel

Ultrasonication crește viteza de reacție chimică și randamentul transesterificării uleiurilor vegetale și a grăsimilor animale în biodiesel. Acest lucru permite schimbarea producției de la procesarea pe loturi la procesarea continuă a fluxului și reduce costurile de investiție și operaționale. Unul dintre avantajele majore ale fabricării biodieselului cu ultrasunete este utilizarea uleiurilor uzate, ar fi uleiurile de gătit uzate și alte surse de ulei de calitate slabă. Transesterificarea cu ultrasunete poate converti chiar și materia primă de calitate scăzută în biodiesel de înaltă calitate (ester metilic al acizilor grași / FAME). Fabricarea biodieselului din uleiuri vegetale sau grăsimi animale implică transesterificarea catalizată de bază a acizilor grași cu metanol sau etanol pentru a obține esterii metilici sau esterii etilici corespunzători. Ultrasonication poate realiza un randament de biodiesel mai mare de 99%. Ecografia reduce semnificativ timpul de procesare și timpul de separare.
Click aici pentru a citi mai multe despre transesterificarea ultrasonically asistată de ulei în biodiesel!

Degazarea cu ultrasunete și dezaerarea lichidelor

Degazarea lichidelor este o altă aplicație importantă a ultrasonicators de tip sondă. Vibrațiile cu ultrasunete și cavitația provoacă coalescența gazelor dizolvate într-un lichid. Pe măsură ce bulele de gaz se coagulează, ele formează astfel bule mai mari care plutesc rapid la suprafața superioară a lichidului, de acolo pot fi îndepărtate. Astfel, degazarea cu ultrasunete și dezaerarea pot reduce nivelul gazului dizolvat sub nivelul echilibrului natural.
Click aici pentru a citi mai multe despre degazarea cu ultrasunete a lichidelor!

Curățarea cu ultrasunete a firelor, cablurilor și benzilor

Curățarea cu ultrasunete este o alternativă ecologică pentru curățarea materialelor continue, cum ar fi sârmă și cablu, bandă sau tuburi. Efectul cavitației puternice cu ultrasunete elimină reziduurile de lubrifiere, ar fi ulei sau grăsime, săpunuri, stearați sau praf de pe suprafața materialului. Hielscher Ultrasonics oferă diverse sisteme cu ultrasunete pentru curățarea inline a profilelor continue.
Click aici pentru mai multe informații despre curățarea cu ultrasunete a profilelor continue!

Ce face Sonicare o metodă superioară de procesare?

Sonicare, sau utilizarea undelor sonore de înaltă frecvență pentru a agita lichide, este o metodă eficientă de procesare pentru o varietate de motive. Iată câteva motive pentru care sonicare la intensitate mare și frecvență joasă de aprox. 20kHz este deosebit de impact și avantajos pentru prelucrarea lichidelor și suspensiilor:

1. Cavitaţie: Unul dintre principalele mecanisme de sonicare este crearea și prăbușirea bulelor mici, un fenomen numit cavitație. La 20kHz, undele sonore sunt la frecvența potrivită pentru a crea și prăbuși bulele în mod eficient. Colapsul acestor bule produce unde de șoc de mare energie, care pot descompune particulele și pot perturba celulele din lichidul sonicated.
2. Oscilații și vibrații: Pe lângă cavitația acustică generată, oscilația sondei cu ultrasunete creează agitație suplimentară și amestecare în lichid, promovând astfel transferul de masă și / sau degazarea.
3. Penetrare: Undele sonore la 20kHz au o lungime de undă relativ lungă, ceea ce le permite să pătrundă adânc în lichide. Cavitația cu ultrasunete este un fenomen localizat care apare în jurul sondei cu ultrasunete. Odată cu creșterea distanței față de sondă, intensitatea cavitației scade. Cu toate acestea, sonicare la 20kHz poate trata eficient volume mai mari de lichid, comparativ cu sonicare de frecvență mai mare, care are lungimi de undă mai scurte și poate fi mai limitată în adâncimea de penetrare.
4. Consum redus de energie: Sonicare poate fi realizat cu un consum relativ redus de energie în comparație cu alte metode de prelucrare, ar fi omogenizarea la presiune înaltă sau agitare mecanică. Acest lucru îl face o metodă mai eficientă din punct de vedere energetic și mai rentabilă pentru prelucrarea lichidelor.
5. 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 stabilă continuu.
6. Fluxul lotului și în linie: Ultrasonication poate fi efectuată ca lot sau ca procese continue inline. Pentru sonicare de loturi, sonda cu ultrasunete este introdus în vas deschis sau reactor lot închis. Pentru sonicare a unui flux de flux continuu, este instalată o celulă de flux cu ultrasunete. Mediul lichid trece sonotroda (tija vibratoare ultrasonically) într-o singură trecere sau recirculare și este foarte uniformă și eficientă expusă undelor cu ultrasunete.

În general, forțele intense de cavitație, consumul redus de energie, și scalabilitatea procesului fac de joasă frecvență, sonicare de mare putere o metodă eficientă pentru prelucrarea lichidelor.

Principiul de funcționare și utilizarea procesării cu ultrasunete

Ultrasonication este o tehnologie comercială de procesare, care a fost adoptată de numeroase industrii pentru producția pe scară largă. Fiabilitate ridicată și scalabilitate, precum și costuri reduse de întreținere și eficiență energetică ridicată fac procesoare cu ultrasunete o alternativă bună pentru echipamentele tradiționale de prelucrare a lichidelor. Ecografia oferă oportunități suplimentare interesante: Cavitația – efectul ultrasonic de bază – produce rezultate unice în procesele biologice, chimice și fizice. De exemplu, dispersia cu ultrasunete și emulsionarea produce cu ușurință formulări stabile de dimensiuni nano. De asemenea, în domeniul extracției botanice, ultrasunetele sunt o tehnică non-termică pentru izolarea compușilor bioactivi.

În timp ce ultrasunetele de joasă intensitate sau de înaltă frecvență sunt utilizate în principal pentru analiză, testare nedistructivă și imagistică, ultrasunetele de înaltă intensitate sunt utilizate pentru prelucrarea lichidelor și pastelor, unde undele ultrasonice intense sunt utilizate pentru amestecarea, emulsionarea, dispersarea și dezaglomerarea, dezintegrarea celulară sau dezactivarea enzimelor. Când sonicarea lichidelor la intensități mari, undele sonore se propagă prin mediul lichid. Acest lucru are ca rezultat cicluri alternative de înaltă presiune (compresie) și joasă presiune (rarefiere), cu rate în funcție de frecvență. În timpul ciclului de joasă presiune, undele ultrasonice de înaltă intensitate creează bule mici de vid sau goluri în lichid. Când bulele ating un volum la care nu mai pot absorbi energie, ele se prăbușesc violent în timpul unui ciclu de înaltă presiune. Acest fenomen se numește cavitație. În timpul imploziei, temperaturile foarte ridicate (aprox. 5.000K) și presiunile (aprox. 2.000atm) sunt atinse local. Implozia bulei de cavitație are ca rezultat, de asemenea, jeturi lichide cu o viteză de până la 280 de metri pe secundă.

Cavitație cu ultrasunete în lichide poate provoca degazare rapidă și completă; să inițieze diverse reacții chimice prin generarea de ioni chimici liberi (radicali); accelerarea reacțiilor chimice prin facilitarea amestecării reactanților; îmbunătățirea reacțiilor de polimerizare și depolimerizare prin dispersarea agregatelor sau prin ruperea permanentă a legăturilor chimice în lanțurile polimerice; creșterea ratelor de emulsionare; îmbunătățirea ratelor de difuzie; produce emulsii foarte concentrate sau dispersii uniforme de materiale de dimensiuni micronice sau nano; ajută la extragerea substanțelor precum enzimele din celulele animale, vegetale, drojdii sau bacteriene; eliminați virușii din țesutul infectat; și, în cele din urmă, să erodeze și să descompună particulele sensibile, inclusiv microorganismele. (cf. Kuldiloke 2002)

Ultrasunetele de mare intensitate produc agitație violentă în lichide cu vâscozitate scăzută, care pot fi utilizate pentru a dispersa materialele 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)

Literatură