Ультразвуковая обработка жидкостей, суспензий и химических реакций

Обработка ультразвуком – это механический метод обработки, создающий акустическую кавитацию и физические силы высокой интенсивности. Поэтому ультразвук используется для многочисленных применений, таких как смешивание, гомогенизация, измельчение, диспергирование, эмульгирование, экстракция, дегазация и сонохимические реакции.

Найдите свою область применения в таблице ниже, нажмите на ссылку и перейдите непосредственно к интересующему вас процессу! Узнайте, как обработка ультразвуком улучшает процесс и повышает его эффективность.

Ультразвуковая гомогенизация

Ультразвуковые гомогенизаторы уменьшают размер мелких частиц в жидкости для улучшения однородности и стабильности дисперсии. Частицы (дисперсная фаза) могут представлять собой твёрдые вещества или капли жидкости, взвешенные в жидкой фазе. Ультразвуковая гомогенизация очень эффективна для уменьшения размера мягких и твёрдых частиц. Hielscher производит ультразвуковые аппараты для гомогенизации любого объёма жидкости, а также для периодической или поточной обработки. Лабораторные ультразвуковые устройства можно использовать для объёмов от 1,5mL до приблизительно 4L. Промышленные ультразвуковые устройства могут обрабатывать партии объёмом от 0,5 до приблизительно 2000L или работать при расходах от 0,1L до 20 кубических метров в час при разработке процессов и в коммерческом производстве.
Откройте для себя возможности ультразвуковой гомогенизации!

Ультразвуковое диспергирование и деагломерация

Диспергирование и деагломерация твёрдых веществ в жидкостях – важная область применения ультразвуковых аппаратов зондового типа. Ультразвуковая / акустическая кавитация создаёт высокие сдвиговые усилия, которые разрушают агломераты частиц, разделяя их на отдельные диспергированные частицы. Смешивание порошков с жидкостями – распространённый этап приготовления различных продуктов, таких как краски, лаки, косметические продукты, продукты питания и напитки или полировальные среды. Отдельные частицы удерживаются вместе силами притяжения различной физической и химической природы, включая силы Ван-дер-Ваальса и поверхностное натяжение жидкости. Обработка ультразвуком преодолевает эти силы притяжения, обеспечивая деагломерацию и диспергирование частиц в жидких средах. Для диспергирования и деагломерации порошков в жидкостях высокоинтенсивная обработка ультразвуком представляет собой интересную альтернативу гомогенизаторам высокого давления, смесителям с высоким сдвигом, бисерным мельницам или роторно-статорным смесителям.
Получите подробную информацию об ультразвуковом диспергировании и деагломерации!

Ультразвуковое эмульгирование

Широкий спектр промежуточных и потребительских продуктов, таких как косметика и лосьоны для кожи, фармацевтические мази, лаки, краски, смазочные материалы и топливо, полностью или частично основан на эмульсиях. Эмульсии представляют собой дисперсии двух или более несмешивающихся жидких фаз. Высокоинтенсивный ультразвук обеспечивает достаточно интенсивный сдвиг для диспергирования жидкой фазы (дисперсной фазы) в виде мелких капель во второй фазе (непрерывной фазе). В зоне диспергирования схлопывающиеся кавитационные пузырьки вызывают интенсивные ударные волны в окружающей жидкости и приводят к образованию высокоскоростных струй жидкости (высокий сдвиг). Обработку ультразвуком можно точно адаптировать к целевому размеру капель эмульсии, обеспечивая тем самым надёжное получение микроэмульсий и наноэмульсий.
Нажмите здесь, чтобы узнать больше об ультразвуковом эмульгировании!

Ультразвуковое мокрое измельчение и размол

Обработка ультразвуком – эффективный способ мокрого измельчения и микроизмельчения частиц. Ультразвук имеет множество преимуществ, особенно при получении суспензий со сверхтонкими частицами. Он превосходит традиционное оборудование для уменьшения размера частиц, такое как коллоидные мельницы (например, шаровые мельницы, бисерные мельницы), дисковые мельницы или струйные мельницы. Обработка ультразвуком позволяет обрабатывать высококонцентрированные и высоковязкие суспензии – тем самым уменьшая объём, подлежащий обработке. Разумеется, ультразвуковое измельчение подходит для обработки материалов микро- и наноразмеров, таких как керамика, пигменты, сульфат бария, карбонат кальция или оксиды металлов. Особенно при работе с наноматериалами обработка ультразвуком демонстрирует превосходную эффективность, поскольку её мощные сдвиговые усилия создают равномерно мелкие наночастицы.
Узнайте больше об ультразвуковом мокром измельчении и микроизмельчении!

TiO2, высушенный распылением, до и после ультразвукового измельчения

Ультразвуковое разрушение клеток и лизис

Ультразвуковая обработка может разрушать волокнистый целлюлозный материал до мелких частиц и разрушать стенки клеточной структуры. При этом в жидкость высвобождается больше внутриклеточного материала, такого как крахмал или сахар. Этот эффект можно использовать для ферментации, расщепления и других процессов преобразования органического вещества. После измельчения и размола обработка ультразвуком делает больше внутриклеточного материала, например крахмала, а также фрагментов клеточных стенок доступными для ферментов, преобразующих крахмал в сахара. Она также увеличивает площадь поверхности, доступную ферментам при разжижении или осахаривании. Обычно это повышает скорость и выход дрожжевой ферментации и других процессов преобразования, например для увеличения производства этанола из биомассы.
Узнайте больше об ультразвуковом разрушении клеточных структур!

Ультразвуковая экстракция растительного сырья

Экстракция биоактивных соединений, содержащихся в клетках и субклеточных частицах, – широко распространённая область применения высокоинтенсивного ультразвука. Ультразвуковая экстракция используется для выделения вторичных метаболитов (например, полифенолов), полисахаридов, белков, эфирных масел и других активных компонентов из клеточной матрицы растений и грибов. Подходящая для экстракции органических соединений водой и растворителями обработка ультразвуком значительно повышает выход растительных веществ, содержащихся в растениях или семенах. Ультразвуковая экстракция используется для производства фармацевтических препаратов, нутрицевтиков / пищевых добавок, ароматических веществ и биологических добавок. Ультразвук – экологичный метод экстракции, также используемый для извлечения биоактивных компонентов на биоперерабатывающих предприятиях, например для высвобождения ценных соединений из неиспользуемых потоков побочных продуктов промышленных процессов. Обработка ультразвуком – высокоэффективная технология экстракции растительного сырья в лабораторном и производственном масштабе.
Изучите преимущества ультразвуковой экстракции!

Сонохимическое применение ультразвука

Сонохимия – это применение ультразвука к химическим реакциям и процессам. Механизмом, вызывающим сонохимические эффекты в жидкостях, является явление акустической кавитации. Сонохимические эффекты в химических реакциях и процессах включают увеличение скорости реакции или выхода, более эффективное использование энергии, повышение эффективности катализаторов межфазного переноса, активацию металлов и твёрдых веществ или повышение реакционной способности реагентов либо катализаторов.
Изучите сонохимические эффекты ультразвука!

Ультразвуковая переэтерификация масла (в том числе отработанного) в биодизель

Обработка ультразвуком повышает скорость химической реакции и выход при переэтерификации растительных масел и животных жиров в биодизель. Это позволяет перейти от периодической обработки к непрерывной проточной обработке и снижает инвестиционные и эксплуатационные затраты. Одно из основных преимуществ ультразвукового производства биодизеля – использование отработанных масел, таких как использованные кулинарные масла, и других низкокачественных источников масла. Ультразвуковая переэтерификация может преобразовывать даже низкокачественное сырьё в высококачественный биодизель (метиловый эфир жирной кислоты / FAME). Производство биодизеля из растительных масел или животных жиров включает катализируемую основанием переэтерификацию жирных кислот метанолом или этанолом с получением соответствующих метиловых или этиловых эфиров. Обработка ультразвуком позволяет достичь выхода биодизеля свыше 99%. Ультразвук значительно сокращает время обработки и время разделения.
Нажмите здесь, чтобы узнать больше о переэтерификации масла в биодизель с помощью ультразвука!

Ультразвуковая дегазация, деаэрация и пеногашение жидкостей

Дегазация жидкостей – ещё одна важная область применения ультразвуковых аппаратов зондового типа. Ультразвуковые колебания и кавитация вызывают коалесценцию растворённых в жидкости газов. По мере слияния мельчайших газовых пузырьков образуются более крупные пузырьки, которые быстро всплывают на поверхность жидкости, откуда их можно удалить. Таким образом, ультразвуковая дегазация и деаэрация могут снизить содержание растворённого газа ниже естественного равновесного уровня.
Нажмите здесь, чтобы узнать больше об ультразвуковой дегазации жидкостей!

Ультразвуковая очистка проволоки, кабелей и полос

Ультразвуковая очистка – экологичная альтернатива для очистки непрерывных материалов, таких как проволока и кабель, лента или трубы. Воздействие мощной ультразвуковой кавитации удаляет с поверхности материала остатки смазочных материалов, таких как масло или пластичная смазка, мыла, стеараты или пыль. Hielscher Ultrasonics предлагает различные ультразвуковые системы для поточной очистки непрерывных профилей.
Нажмите здесь, чтобы получить дополнительную информацию об ультразвуковой очистке непрерывных профилей!

Что делает обработку ультразвуком превосходным методом обработки?

Обработка ультразвуком, то есть использование высокочастотных звуковых волн для перемешивания жидкостей, является эффективным методом обработки по целому ряду причин. Вот некоторые причины, по которым высокоинтенсивная обработка ультразвуком низкой частоты, приблизительно 20kHz, особенно действенна и выгодна для обработки жидкостей и суспензий:

1. Кавитация: Один из основных механизмов обработки ультразвуком – образование и схлопывание мельчайших пузырьков, явление, называемое кавитацией. При 20kHz звуковые волны имеют именно ту частоту, которая позволяет эффективно создавать и схлопывать пузырьки. Схлопывание этих пузырьков порождает ударные волны высокой энергии, которые могут разрушать частицы и клетки в обрабатываемой ультразвуком жидкости.
2. Колебания и вибрация: Помимо создаваемой акустической кавитации, колебания ультразвукового зонда вызывают дополнительное движение и смешивание в жидкости, тем самым способствуя массопереносу и/или дегазации.
3. Проникновение: Звуковые волны частотой 20kHz имеют относительно большую длину волны, что позволяет им глубоко проникать в жидкости. Ультразвуковая кавитация – локализованное явление, возникающее вблизи ультразвукового зонда. С увеличением расстояния до зонда интенсивность кавитации снижается. Однако обработка ультразвуком при 20kHz может эффективно обрабатывать более крупные объёмы жидкости по сравнению с обработкой ультразвуком более высокой частоты, имеющим меньшую длину волны и, возможно, более ограниченную глубину проникновения.
4. Низкое энергопотребление: Обработку ультразвуком можно осуществлять с относительно низким энергопотреблением по сравнению с другими методами обработки, такими как гомогенизация под высоким давлением или механическое перемешивание. Это делает её более энергоэффективным и экономически выгодным методом обработки жидкостей.
5. Линейная масштабируемость: Ультразвуковые процессы можно масштабировать полностью линейно для больших или меньших объёмов. Это обеспечивает надёжность адаптации процессов в производстве, поскольку качество продукции можно поддерживать постоянно стабильным.
6. Периодическая и поточная обработка: Обработка ультразвуком может выполняться периодически или в виде непрерывных поточных процессов. Для обработки партий ультразвуковой зонд вводят в открытую ёмкость или закрытый реактор периодического действия. Для обработки непрерывного потока устанавливают ультразвуковую проточную ячейку. Жидкая среда проходит мимо сонотрода (стержня, колеблющегося с ультразвуковой частотой) за один проход или с рециркуляцией и подвергается воздействию ультразвуковых волн с высокой равномерностью и эффективностью.

В целом интенсивные силы кавитации, низкое энергопотребление и масштабируемость процесса делают низкочастотную обработку ультразвуком высокой мощности эффективным методом обработки жидкостей.

Принцип действия и применение ультразвуковой обработки

Обработка ультразвуком – коммерческая технология обработки, внедрённая во многих отраслях для крупномасштабного производства. Высокая надёжность и масштабируемость, а также низкие затраты на обслуживание и высокая энергоэффективность делают ультразвуковые процессоры хорошей альтернативой традиционному оборудованию для обработки жидкостей. Ультразвук открывает дополнительные интересные возможности: кавитация – основной ультразвуковой эффект – даёт уникальные результаты в биологических, химических и физических процессах. Например, ультразвуковое диспергирование и эмульгирование позволяют легко получать стабильные составы с наноразмерными частицами или каплями. В области экстракции растительного сырья ультразвук также представляет собой нетермический метод выделения биоактивных соединений.

Ультразвуковое смешивание основано на акустической кавитации и создаваемых ею гидродинамических сдвиговых усилиях.

В то время как ультразвук низкой интенсивности или высокой частоты в основном используется для анализа, неразрушающего контроля и визуализации, высокоинтенсивный ультразвук применяется для обработки жидкостей и паст, где интенсивные ультразвуковые волны используются для смешивания, эмульгирования, диспергирования и деагломерации, разрушения клеток или деактивации ферментов. При обработке жидкостей ультразвуком высокой интенсивности звуковые волны распространяются через жидкие среды. Это приводит к чередованию циклов высокого давления (сжатия) и низкого давления (разрежения), скорость которых зависит от частоты. Во время цикла низкого давления высокоинтенсивные ультразвуковые волны создают в жидкости небольшие вакуумные пузырьки или полости. Когда пузырьки достигают объёма, при котором они больше не могут поглощать энергию, они резко схлопываются во время цикла высокого давления. Это явление называется кавитацией. При схлопывании локально достигаются очень высокие температуры (приблизительно 5 000K) и давления (приблизительно 2 000atm). Схлопывание кавитационного пузырька также приводит к образованию струй жидкости со скоростью до 280 метров в секунду.

Ультразвуковая кавитация в жидкостях может вызывать быструю и полную дегазацию; инициировать различные химические реакции путём образования свободных химических ионов (радикалов); ускорять химические реакции, облегчая смешивание реагентов; усиливать реакции полимеризации и деполимеризации путём диспергирования агрегатов или необратимого разрыва химических связей в полимерных цепях; повышать скорость эмульгирования; повышать скорость диффузии; получать высококонцентрированные эмульсии или однородные дисперсии материалов микро- или наноразмеров; способствовать экстракции веществ, таких как ферменты, из животных, растительных, дрожжевых или бактериальных клеток; удалять вирусы из инфицированной ткани; и, наконец, подвергать эрозии и разрушать восприимчивые частицы, включая микроорганизмы. (см. Kuldiloke 2002)

Высокоинтенсивный ультразвук вызывает интенсивное перемешивание в жидкостях с низкой вязкостью, которое можно использовать для диспергирования материалов в жидкостях. (см. Ensminger, 1988) На границах раздела жидкость/твёрдое тело или газ/твёрдое тело асимметричное схлопывание кавитационных пузырьков может вызывать чрезвычайно сильную турбулентность, которая уменьшает диффузионный пограничный слой, увеличивает конвективный массоперенос и значительно ускоряет диффузию в системах, где обычное смешивание невозможно. (см. Nyborg, 1965)

Литература

• 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).