Použitie výkonového ultrazvuku pomocou ultrazvukových koncentrátorov

Ultrazvukové koncentrátory alebo sondy sa široko používajú pri rôznych aplikáciách spracovania kvapalín vrátane homogenizácie, dispergovania, mokrého mletia, emulgácie, extrakcie, dezintegrácie, rozpúšťania a odvzdušňovania. Zoznámte sa so základmi ultrazvukových koncentrátorov, ultrazvukových sond a ich aplikácií.

Ultrazvukový koncentrátor verzus ultrazvuková sonda

Pojmy ultrazvukový koncentrátor a sonda sa často používajú zameniteľne a označujú ultrazvukovú tyč, ktorá prenáša ultrazvukové vlny do kvapaliny. Ďalšie označenia používané pre ultrazvukovú sondu sú akustický koncentrátor, sonotróda, akustický vlnovod alebo ultrazvukový prst. Z technického hľadiska však medzi ultrazvukovým koncentrátorom a ultrazvukovou sondou existuje rozdiel.
Koncentrátor aj sonda označujú časti takzvaného sondového ultrazvukového zariadenia. Ultrazvukový koncentrátor je kovová časť ultrazvukového meniča, ktorá sa rozkmitáva piezoelektricky generovanými vibráciami. Ultrazvukový koncentrátor kmitá pri určitej frekvencii, napr. 20kHz, čo znamená 20 000 kmitov za sekundu. Titán je preferovaným materiálom na výrobu ultrazvukových koncentrátorov vďaka svojim vynikajúcim vlastnostiam pri prenose akustickej energie, vysokej únavovej pevnosti a povrchovej tvrdosti.

Ultrazvuková sonda sa nazýva aj sonotróda alebo ultrazvukový prst. Je to kovová tyč, najčastejšie vyrobená z titánu, ktorá je závitovým spojom pripojená k ultrazvukovému koncentrátoru. Ultrazvuková sonda je základnou súčasťou ultrazvukového procesora, ktorá prenáša ultrazvukové vlny do sonikovaného média. Ultrazvukové sondy / sonotródy sú dostupné v rôznych tvaroch (napr. kužeľové, so špičkou, zužujúce sa alebo vo vyhotovení Cascatrode). Hoci je titán najčastejšie používaným materiálom na ultrazvukové sondy, dostupné sú aj sonotródy z nehrdzavejúcej ocele, keramiky, skla a iných materiálov.

Keďže ultrazvukový koncentrátor a sonda sú počas sonikácie neustále namáhané tlakom alebo ťahom, výber ich materiálu je zásadný. Vysokokvalitná titánová zliatina (trieda 5) sa považuje za najspoľahlivejší, najodolnejší a najúčinnejší kov na odolávanie namáhaniu, dlhodobé udržiavanie vysokých amplitúd a prenos akustických a mechanických vlastností.

Rozpúšťanie je bežným využitím ultrazvuku. Video predvádza rýchle rozpúšťanie kryštálov cukru vo vode pomocou zariadenia Hielscher UP200St.

Vysokovýkonné ultrazvukové zariadenia pracujú prevažne vo frekvenčnom rozsahu 20–30kHz. Pri 20 kHz je ultrazvuková sonda zvyčajne rezonančnou tyčou s dĺžkou polovice vlnovej dĺžky, ktorá sa neustále predlžuje a zmršťuje 20 000-krát za sekundu. Pohyby predlžovania a zmršťovania sa prenášajú ako vysokovýkonný ultrazvuk do spracovávaného média, teda tekutiny alebo suspenzie, s cieľom vykonávať aplikácie, ako sú

• ultrazvukové miešanie s vysokým šmykovým namáhaním
• ultrazvukové mokré mletie
• ultrazvukové dispergovanie nanočastíc
• ultrazvuková nanoemulgácia
• ultrazvuková extrakcia
• ultrazvuková dezintegrácia
• ultrazvukové narúšanie a lýza buniek
• ultrazvukové odplyňovanie a odvzdušňovanie
• sonochémia (sonosyntéza, sonokatalýza)

Ako funguje výkonový ultrazvuk? – Princíp fungovania akustickej kavitácie

Pri vysokovýkonných ultrazvukových aplikáciách, ako sú homogenizácia, zmenšovanie veľkosti častíc, dezintegrácia alebo príprava nanodisperzií, sa ultrazvukovým meničom generuje nízkofrekvenčný ultrazvuk s vysokou intenzitou a prostredníctvom ultrazvukového koncentrátora a sondy (sonotródy) sa prenáša do kvapaliny. Za vysokovýkonný ultrazvuk sa považuje ultrazvuk v rozsahu 16–30kHz. Ultrazvuková sonda sa predlžuje a zmršťuje napr. pri 20kHz, čím do média prenáša zodpovedajúcich 20 000 kmitov za sekundu. Pri prechode ultrazvukových vĺn kvapalinou vytvárajú striedajúce sa cykly vysokého tlaku (stláčanie) / nízkeho tlaku (zrieďovanie / rozpínanie) drobné dutiny (vákuové bubliny), ktoré rastú počas niekoľkých tlakových cyklov. Počas fázy stláčania kvapaliny a bublín je tlak kladný, zatiaľ čo fáza zrieďovania vytvára vákuum (záporný tlak). Počas cyklov stláčania a rozpínania rastú dutiny v kvapaline, až kým nedosiahnu veľkosť, pri ktorej už nedokážu absorbovať ďalšiu energiu. V tomto okamihu prudko implodujú. Implózia týchto dutín vedie k rôznym vysokoenergetickým účinkom, ktoré sú známe ako jav akustickej / ultrazvukovej kavitácie. Akustická kavitácia sa vyznačuje rôznymi vysokoenergetickými účinkami, ktoré pôsobia na kvapaliny, systémy tuhá látka/kvapalina aj systémy plyn/kvapalina. Oblasť s vysokou hustotou energie alebo kavitačná oblasť je známa ako takzvaná oblasť horúcich miest, pričom hustota energie je najvyššia v bezprostrednej blízkosti ultrazvukovej sondy a so zväčšujúcou sa vzdialenosťou od sonotródy klesá. Medzi hlavné charakteristiky ultrazvukovej kavitácie patria lokálne sa vyskytujúce veľmi vysoké teploty a tlaky a ich príslušné rozdiely, turbulencie a prúdenie kvapaliny. Počas implózie ultrazvukových dutín v ultrazvukových horúcich miestach možno namerať teploty až 5000 kelvinov, tlaky až 200 atmosfér a prúdy kvapaliny s rýchlosťou až 1000km/h. Tieto mimoriadne energeticky intenzívne podmienky prispievajú k sonomechanickým a sonochemickým účinkom, ktoré rôznymi spôsobmi zintenzívňujú procesy a chemické reakcie.
Hlavné účinky pôsobenia ultrazvuku na kvapaliny a suspenzie sú nasledujúce:

• Vysoké šmykové namáhanie: Vysoké šmykové sily vyvolané ultrazvukom narúšajú kvapaliny a systémy kvapalina–tuhá látka, čím spôsobujú intenzívne premiešavanie, homogenizáciu a prenos hmoty.
• Náraz: Prúdy a prúdenie kvapaliny vytvárané ultrazvukovou kavitáciou urýchľujú tuhé častice v kvapalinách, čo následne vedie ku kolíziám medzi časticami. Keď sa častice zrážajú pri veľmi vysokých rýchlostiach, dochádza k ich erózii, rozbíjaniu, jemnému mletiu a dispergovaniu, často až na nanometrovú veľkosť. Pri biologickej hmote, napríklad rastlinných materiáloch, vysokorýchlostné prúdy kvapaliny a striedajúce sa tlakové cykly narúšajú bunkové steny a uvoľňujú vnútrobunkový materiál. Výsledkom je vysoko účinná extrakcia bioaktívnych zlúčenín a homogénne premiešanie biologickej hmoty.
• Premiešavanie: Pôsobenie ultrazvuku vyvoláva v kvapaline alebo suspenzii intenzívne turbulencie, šmykové sily a mikropohyby. Sonikácia tak vždy zintenzívňuje prenos hmoty, a tým urýchľuje reakcie a procesy.

Ultrazvukové homogenizátory a miešače s vysokým šmykovým namáhaním sa používajú takmer v každom spracovateľskom odvetví, ktoré pracuje s kvapalinami alebo suspenziami. Intenzívne ultrazvukové kavitačné sily vytvárajú intenzívne premiešavanie, šmykové namáhanie, rozbíjanie častíc a prenos hmoty. Kvapaliny sa tak homogenizujú, dispergujú, emulgujú, extrahujú, rozpúšťajú a/alebo sa iniciujú chemické reakcie. Celkovo je pôsobenie ultrazvuku metódou intenzifikácie procesov, ktorá zvyšuje výťažnosť, zlepšuje mieru konverzie a zvyšuje účinnosť procesov.
Bežné priemyselné aplikácie ultrazvuku sú rozšírené v mnohých odvetviach potravinárstva a farmácie, jemnej chémie, energetiky a petrochémie, recyklácie, biorafinérií atď. a zahŕňajú:

• ultrazvukovú syntézu bionafty
• ultrazvukovú homogenizáciu ovocných štiav
• ultrazvukovú výrobu vakcín
• ultrazvukovú recykláciu Li-ion batérií
• ultrazvukovú syntézu nanomateriálov
• ultrazvukovú formuláciu liečiv
• ultrazvukovú nanoemulgáciu CBD
• ultrazvukovú extrakciu rastlinných materiálov
• ultrazvukovú prípravu vzoriek v laboratóriách
• ultrazvukové odplyňovanie kvapalín
• ultrazvukové odsírovanie ropy
• a mnohé ďalšie …

Ultrazvukové koncentrátory a sondy pre vysokovýkonné aplikácie

Hielscher Ultrasonics je výrobca a distribútor vysokovýkonných ultrazvukových zariadení s dlhoročnými skúsenosťami, ktoré sa celosvetovo používajú na náročné aplikácie v mnohých priemyselných odvetviach.
Vďaka ultrazvukovým procesorom všetkých veľkostí od 50 wattov do 16kW na zariadenie, sondám rôznych veľkostí a tvarov a ultrazvukovým reaktorom s rôznymi objemami a geometriami má Hielscher Ultrasonics vhodné vybavenie na zostavenie ideálnej ultrazvukovej zostavy pre vašu aplikáciu.
Nasledujúca tabuľka vám poskytuje predstavu o približnej spracovateľskej kapacite našich ultrazvukových zariadení: