Ultrazvukové prístroje a sondy na spracovanie kvapalín

Ultrazvukové prístroje Hielscher sa používajú na laboratórne vzorky, pilotné spracovanie alebo výrobu v plnom rozsahu. Patria sem ultrazvukové procesory a sondy na ultrazvuk akéhokoľvek objemu kvapaliny, od niekoľkých mikrolitrov až po stovky metrov kubických za hodinu. Spoločnosť Hielscher Ultrasonics dodáva vysokovýkonné ultrazvukové prístroje a súvisiace ultrazvukové zariadenia s vysokou intenzitou pre výskum a priemysel.

Požiadavka na ošetrenie kvapalín ultrazvukovou kavitáciou prichádza v mnohých veľkostiach: vzorky tkanív v malých fľaštičkách, vzorky konzervovaných farieb, dávky reaktorov alebo nepretržitý tok materiálu. Spoločnosť Hielscher ponúka ultrazvukové prístroje pre akýkoľvek objem kvapaliny. Napríklad UP100H je kompaktný ručný sondový ultrazvuk s objemom až 500 ml. 400 wattový výkonný ultrazvuk UP400St je silný laboratórny homogenizátor až do 2000 ml. A s priemyselným mixérom UIP1000hdT ponúkame výkonný ultrazvukový mixér na vývoj aplikácií a výrobu v malom meradle. Pre väčšie výrobné ciele ponúka Hielscher ultrazvukové prístroje s výkonom 4000 wattov, 6000 wattov, 10 kW a 16 kW. V nasledujúcej tabuľke sú uvedené všetky štandardné laboratórne a priemyselné ultrazvukové prístroje.

Laboratórne ultrazvukové homogenizátory

Priemyselné ultrazvukové prístroje

Ultrazvukové procesy a aplikácie

Ultrazvukové miešanie

Zatiaľ čo miešadlá v nádržiach môžu miešať ľahko miešateľné kvapaliny podobnej viskozity, kvapaliny s rôznou viskozitou alebo viskóznejšie kvapaliny môžu vyžadovať vysoký mechanický strih pre rýchle a úplné zmiešanie. Naše ultrazvukové prístroje dokážu ľahko zmiešať dve alebo viac tekutín v rade. Za týmto účelom by sa kvapaliny kombinovali tesne pred reaktormi ultrazvukových prietokových článkov. Prečítajte si viac o mixovaní!

ultrazvuková homogenizácia

Ultrazvukové homogenizátory Hielscher sú veľmi účinné pri dosahovaní malej a rovnomernej veľkosti guľôčok alebo častíc pri spracovaní práškových / kvapalných alebo kvapalných / kvapalných formulácií. Vysoké hydraulické šmykové sily generované ultrazvukom rozbíjajú aglomeráty, kvapôčky a bunkové tkanivo na menšie fragmenty a vytvárajú jednotný produkt jemnej veľkosti. Náš sortiment homogenizátorov pokrýva akýkoľvek objem spracovania od laboratórnych liekoviek až po veľkou výrobu. Prečítajte si viac o homogenizácii!

Ultrazvuková deaglomerácia

Ultrazvukové homogenizátory Hielscher rozbíjajú práškové aglomeráty v kvapalinách, ktoré bežné miešadlá a miešadlá s vysokým strihom nedokážu rozbiť. Vysoký kavitačný šmyk disperguje a homogenizuje aglomerované častice, čo vedie k väčšiemu špecifickému povrchu. Ultrazvukové homogenizátory Hielscher je možné ľahko integrovať do linky alebo do dávky. Prečítajte si viac o deaglomerácii!

ultrazvuková dispergácia

Pri takmer každom produkte je dôležité, aby boli častice oddelené od ostatných častíc, aby sa zväčšila plocha povrchu častíc a dosiahla rovnomerná distribúcia. Dokonca aj disperzie sa dajú ľahko dosiahnuť ultrazvukom. Ultrazvukové prístroje Hielscher sú široko používané na výrobu jemných disperzií v mikrónovom a nanorozsahu. Prečítajte si viac o rozptyľovaní!

ultrazvuková emulgácia

Pri miešaní nemiešateľných kvapalín do emulzie je veľkosť a distribúcia kvapiek kľúčovým faktorom stability emulzie. Ultrazvuk môže vytvárať veľmi jemné kvapôčky a úzke distribúcie veľkosti. Vo väčšine prípadov môžu naše ultrazvukové mixéry dosiahnuť submikrónové kvapôčky pri príprave emulzií v dávke alebo v linke. Na rozdiel od vysokotlakových homogenizátorov bude vysoký šmyk produkovaný našimi ultrazvukovými zariadeniami emulgovať aj kvapaliny s vysokou viskozitou, ako sú ťažké vykurovacie oleje (HFO). Niektoré formulácie môžu vyžadovať pridanie emulgátorov alebo stabilizátorov. V tomto prípade ultrazvukové prístroje pomáhajú rovnomerne miešať emulgátor. Prečítajte si viac o emulgácii!

Ultrazvukové rozpúšťanie

Ultrazvukové homogenizátory sú účinným a spoľahlivým prostriedkom na rozpustenie rôznych materiálov, ako sú soľ, cukry, sirupy, živice a polyméry. Vysokorýchlostné kvapalné prúdy vytvorené ultrazvukovou kavitáciou zvyšujú prenos hmoty v hraničných vrstvách. Výsledkom je rýchlejšie a úplnejšie rozpustenie a vylúhovanie častíc alebo kvapalín s vysokou viskozitou. Prečítajte si viac o ultrazvukovom rozpúšťaní!

Ultrazvukové zmenšenie veľkosti častíc

Ultrazvukové procesory Hielscher dokážu rozbiť aglomeráty, agregáty a primárne častice rôznych materiálov, ako sú pigmenty, oxidy kovov alebo kryštály. Ultrazvuk môže dosiahnuť veľmi rovnomerné a úzke rozloženie veľkosti častíc s malými alebo žiadnymi odchýlkami medzi šaržami. Ultrazvukové frézovanie je najúčinnejšie v rozsahu pod 500 mikrónov až submikrónov a nanoveľkostí. Naše ultrazvukové reaktory zvládnu vysoké zaťaženie pevnými látkami a vysokú viskozitu kalu. Konečná veľkosť častíc bude závisieť od tvrdosti produktu. Prečítajte si viac o zmenšení veľkosti častíc!

Viac ultrazvukových procesov

Ultrazvukové čistenie povrchu častíc

Povrch práškových častíc je kľúčovým faktorom pre interakciu s okolitou kvapalinou. Práve na takých hraniciach pevnej a kvapalnej fázy dochádza k rozpúšťaniu, chemickým reakciám alebo katalytickej aktivite. Ultrazvuková homogenizácia zvyšuje vystavenie povrchu častíc kvapalnej fáze rovnomernou deaglomeráciou a zmenšením veľkosti častíc. Počas katalytických a chemických reakcií môže byť povrch častíc blokovaný usadzovaním zvyškov, tvorbou hraničných vrstiev, vrstvami oxidov a znečistením. Ultrazvuková kavitácia spôsobuje vysokorýchlostné kvapalné prúdy, vysoké hydraulické šmyky a kolízie medzi časticami, čo vedie k čisteniu povrchu častíc. Ultrazvukové prístroje Hielscher je možné použiť v dávke alebo v linke na odstránenie nečistôt z častíc v kvapalinách.

ultrazvukové miešanie

Ultrazvukové miešanie a miešanie nádrží si vyžaduje spoľahlivé vybavenie, najmä na zvýšenie viskozity a objemov. Konvenčné miešadlá nádrží, ako sú lopatkové miešadlá alebo miešadlá rotor-stator, sú obmedzené rôznymi faktormi vrátane viskozity a škálovateľnosti. Preto je vysokovýkonné ultrazvukové miešanie nádrží tou správnou voľbou pre váš proces miešania vďaka vyššej priepustnosti, úspore času, nižším prevádzkovým nákladom, bezpečnej prevádzke (bez pohyblivých častí) a jednoduchej údržbe. Prečítajte si viac o miešadlách ultrazvukových nádrží!

Ultrazvuková hydratácia

Pri miešaní suchých práškov, ako sú pigmenty, zahusťovadlá alebo gumy s tekutinami, majú častice prášku tendenciu vytvárať aglomeráty, hrudky alebo tzv. “Rybie oči” (čiastočne hydratovaný prášok so suchým práškovým jadrom). Miešadlá a miešadlá umyjú iba povrch takýchto aglomerátov. To má za následok dlhé časy miešania a nízku kvalitu produktu. Ultrazvukové miešanie rozbíja aglomeráty a hrudky, čo vedie k riešeniu bez aglomerátov. Okrem toho je dobre známe, že sonochemické účinky aktivujú plochu povrchu častíc, čo vedie k výhodám, ako sú rýchlejšie reakcie a lepšia kvalita produktu.

Ultrazvuková príprava vzorky

Pri meraniach analytickými prístrojmi (napr. HPLC, atómovým spektrometrom atď.) sa vo všeobecnosti väčšina vzoriek musí skvapalniť. Ak je vzorka rozpustná, rozpustená látka (ako je sukralóza, soli, napr. vo forme prášku alebo tabliet) sa môže rozpustiť v rozpúšťadle (napr. vo vode, vodných rozpúšťadlách, organických rozpúšťadlách atď.), čím vznikne homogénna zmes zložená len z jednej fázy. Proces rozpúšťania sa môže uskutočňovať ručným alebo mechanickým miešaním, čo je časovo náročné a neefektívne. Súvisiace problémy sú straty vzoriek v dôsledku manipulácie alebo nedostatočnej reprodukovateľnosti náhodnými chybami a nerovnomerným miešaním.

Ultrazvuk na chemickú aktiváciu

Na začatie chemickej reakcie je potrebná energia. Takzvaná aktivačná energia je množstvo energie potrebné na spustenie reakcie a spontánne pokračovanie. Vstupom ultrazvukovej energie je možné iniciovať chemickú reakciu, keď sa prekonajú príťažlivé sily a vytvárajú sa voľné radikály. Typické chemické reakcie, ktoré ťažia z ultrazvuku, sú sonokatalýza (napr. katalýza fázového prenosu), syntetické organické reakcie, sonolýza, ako aj Sol-gél-Trasy. Okrem toho ultrazvukové sily vytvárajú vysoko reaktívne povrchy, čo je dôležitá technika na zvýšenie aktivity katalyzátora.

Ultrazvukové riedenie šmykom

Jav klesajúcej viskozity pri zvyšujúcich sa šmykových silách sa nazýva šmykové stenčovanie alebo tixotropné. Pokles viskozity má významný význam, keď by sa malo upraviť zaťaženie časticami média. Aby sa dosiahlo vyššie zaťaženie pevnými látkami, musí sa v prvom kroku znížiť viskozita. Po znížení viskozity je možné pridať pevné látky a rozptýliť ich v médiu. Vysoké šmykové sily vytvorené ultrazvukovou kavitáciou spôsobujú šmykové stenčovanie a vynikajúce výsledky dispergovania. Táto aplikácia je integrovaná hlavne pred sušením rozprašovaním alebo zmrazením rozprašovaním, aby sa zvýšila kapacita procesu striekania alebo aby sa ovplyvnila reológia tixotropného materiálu, napr. polymérov.

Ultrazvukové mokré frézovanie

Mletie a zmenšovanie veľkosti častíc sú kľúčové procesy v mnohých priemyselných odvetviach, napríklad v prípade farieb & nátery, atramentové atramenty & tlač, chemikálie alebo kozmetika. Technológia ultrazvukového frézovania je osvedčená pre spoľahlivé zmenšovanie veľkosti a rozptyl v rozsahu mikrónov a nanoveľkostí. Jeho neprekonateľná pevnosť oproti guľôčkovým, guľôčkovým a kamienkovým mlynom spočíva v tom, že sa vyhýba akýmkoľvek mlecím médiám (napr. korálkom/perlám), ktoré kontaminujú konečný produkt v dôsledku oderu. Naopak, ultrazvukové frézovanie je založené na medzikonkrétnej zrážke – to znamená, že častice, ktoré sa majú mletie, sa používajú ako šrot. Preto už nie je časovo náročné čistenie frézovacích médií problémom. Je možné spracovať vysokú viskozitu a veľké objemové prúdy, výsledkom čoho je vysoko kvalitný produkt. Pre integráciu do priemyselnej výrobnej linky dodáva spoločnosť Hielscher vhodné riešenie: klastrizačné systémy, jednoduchá integrácia/dodatočná montáž, nízka údržba, jednoduchá obsluha a vysoká spoľahlivosť. Prečítajte si viac o mokrom frézovaní a jemnom mletí!

Ultrazvuková extrakcia a lýza buniek

Rozpad alebo lýza buniek je bežnou súčasťou každodennej prípravy vzoriek v biotechnologických laboratóriách. Cieľom Rozpadu je narušiť časti bunkovej steny alebo celú bunku, aby sa uvoľnili biologické molekuly. Takzvaný lyzát môže pozostávať napr. z plazmidu, receptorových testov, proteínov, DNA, RNA atď. Následnými krokmi po lýze sú frakcionácia, izolácia organel a/alebo extrakcia a purifikácia bielkovín. Extrahovaný materiál (= lyzát) sa musí oddeliť a je predmetom ďalšieho skúmania alebo aplikácie, napr. na proteomický výskum. Ultrazvukové homogenizátory sú bežným nástrojom na úspešnú lýzu a extrakciu buniek. Keďže intenzitu ultrazvuku je možné vyrovnať úpravou parametrov procesu, optimálna intenzita sonikácie – od veľmi mäkkých až po vysoko intenzívne – je možné nastaviť pre každú látku a médium. Prečítajte si viac o extrakcii a lýze buniek!

Ultrazvuková mikrobiálna inaktivácia

Mikrobiálna inaktivácia je kľúčovým procesom pri spracovaní potravín. Vzhľadom na rastúci dopyt po čerstvých, jemne spracovaných potravinách priemysel sleduje dopyt zákazníkov a nahrádza tepelnú konzerváciu miernejšími metódami spracovania. Ultrazvuk je netepelná technika, ktorá umožňuje inaktiváciu mikroorganizmov pri subletálnych teplotách, čo vedie k lepšiemu zachovaniu senzorických vlastností, nutričných a funkčných vlastností produktu. Keďže mikroorganizmy sú hlavnou príčinou kazenia potravín, musí sa na ne zamerať technika konzervácie. Výhodou sonikácie je plná kontrola nad intenzitou sonikácie a tým aj prispôsobivosť konkrétnym typom mikróbov a produktu. Prečítajte si viac o mikrobiálnej inaktivácii!

ultrazvukové odplyňovanie

V mnohých kvapalných produktoch spôsobuje rozpustený plyn, ako je vzduch, kyslík alebo oxid uhličitý, problémy s následnými procesmi alebo kvalitou produktu. Rozpustený plyn môže spôsobiť koróziu, penenie, tvorbu mikrobublín alebo mikrobiálny rast.
Pri ultrazvukovom ožarovaní sa rozpustený plyn extrahuje do vákua kavitačných bublín (vákuové odplyňovanie). Bubliny naplnené plynom následne vyplávajú na vrchol a môžu sa tak odstrániť. Obsah plynu v kvapaline sa môže rýchlo znížiť pod prirodzenú rovnováhu pri atmosférickom tlaku pomocou ultrazvukového odplyňovania. Prečítajte si viac o odplyňovaní!

Ultrazvukové odstraňovanie mikrobublín

Suspendované mikrobubliny v kvapalinách a suspenziách sú významným problémom kvality mnohých výrobkov, pretože takéto bubliny môžu mať za následok nečistoty produktu, mikrobiálny rast, zákal v povlakoch, mechanickú nestabilitu alebo nerovnomerné výsledky tlače atramentovým atramentom obsahujúcim plyn. Ultrazvukové vlny šíriace sa cez kvapalinu nútia suspendované bubliny, aby sa spojili do väčších bublín, ktoré budú plávať na vrchol a môžu byť tak odstránené. Ultrazvuk pomáha bublinkám pohybovať sa cez kvapalinu, napr. voda, olej alebo živica, čo vedie k rýchlejšiemu a úplnejšiemu odvzdušneniu. Prečítajte si viac o odstraňovaní mikrobublín!

Ultrazvukové odpeňovanie

V mnohých priemyselných procesoch, ako je fermentácia, digescia alebo chemické procesy, spôsobuje pena veľké problémy, pretože spôsobuje, že proces je menej kontrolovateľný. Pena je väčšinou nežiaducim vedľajším produktom, ktorý je potrebné odstrániť. Bežne používané protipenivé chemikálie sú drahé a kontaminujú konečný produkt. Naproti tomu vysoko intenzívne ultrazvukové vlny (sono-odpenenie) rozbíjajú penu bez kontaminácie. Deštrukcia peny je mäkká, nízkoenergetická ultrazvuková aplikácia. Špeciálne navrhnuté doskové sonotródy vytvárajú vlny so vzduchom s vysokou amplitúdou, ktoré destabilizujú bubliny v pene, takže sa zrútia. To sa dá dosiahnuť za pár sekúnd a nemá žiadne zvyškové účinky. Prečítajte si viac o odpeňovaní!

Ultrazvukové vykurovanie

Aj keď zahrievanie väčšinou nie je hlavným účelom sonikácie, nemal by sa zanedbávať vedľajší účinok tvorby tepla v upravenom médiu. Riadené vykurovanie je výhodné, pretože veľa procesov sa zlepšuje teplom. Počas mnohých procesov, napr. konzervácie alebo chemických reakcií, je ultrazvukové ošetrenie zámerne podporované zvýšenou teplotou, známou ako termosonikácia. V prípade materiálov citlivých na teplo cielené chladenie počas sonikácie zabezpečuje stabilné teploty počas ultrazvukového spracovania. Implementáciou ľadových kúpeľov, prietokových článkov s chladiacimi plášťami a integrovaných výmenníkov tepla ponúka spoločnosť Hielscher riešenie pre vaše individuálne ciele.

ultrazvuková stabilizácia

Vysokovýkonný ultrazvuk prispieva k mechanickej aj mikrobiálnej stabilizácii. Ultrazvukom generované vysoké šmykové sily poskytujú extrémne jemné miešanie, takže sa prekonávajú väzby medzi časticami a dosahuje sa mechanická stabilizácia. Trvanlivosť stability závisí od zloženia: niektoré emulzie a disperzie sú samostabilné vďaka veľmi jemnej a rovnomernej homogenizácii, zatiaľ čo iné zmesi musia byť podporené pridaním stabilizačných činidiel. Ak sú potrebné stabilizátory, ultrazvuk je veľmi spoľahlivým nástrojom na primiešanie stabilizátora do zmesi.
Pre biologické a potravinové produkty je ultrazvuk spoľahlivou technikou mikrobiálnej inaktivácie na dosiahnutie stability a konzervácie produktu. Ultrazvuková mikrobiálna stabilizácia je alternatívou netepelnej konzervácie, ktorá presvedčí účinnou mikrobiálnou deaktiváciou a len miernou tvorbou tepla. Ultrazvuk sa ukázal ako veľmi účinný pri ničení patogénov prenášaných potravinami, ako sú E.coli, Salmonellae, Ascaris, Giargia, cysty Cryptosporidium a Poliovirus.

Ultrazvuková funkcionalizácia povrchu častíc

Štruktúra povrchu častíc je dôležitá pre vlastnosti častíc. Špecifická povrchová plocha častice sa zväčšuje v korelácii so zmenšením veľkosti častíc. Zmenšovaním veľkosti častíc sa tak povrchové vlastnosti stávajú čoraz výraznejšími – najmä pri nanonizácii. Pre použitie takýchto materiálov sú povrchové vlastnosti rovnako dôležité ako vlastnosti jadra častíc. To znamená, že funkcionalizácia nanomateriálov umožňuje širokú škálu aplikácií, ako sú polyméry, nanokvapaliny, biokompozity, nanolieky a elektronika. Vďaka tomu je zmenšenie veľkosti, deaglomerácia a funkcionalizácia základným krokom pri spracovaní častíc. Hielscherove ultrazvukové prístroje sú široko používané na úpravu mikrónov a nanočastíc s cieľom mletie, deaglomerácie, dispergácie a modifikácie ich štruktúry. Modifikáciou povrchu častíc sa dá zabrániť nežiaducej agregácii častíc. V následných krokoch môžu byť ultrazvukovo modifikované častice zmiešané do kompozitov, kde sonikácia dosiahne homogénnu distribúciu v matrici. To je veľmi dôležité pre rozmanité priemyselné aplikácie, pokiaľ ide o dlhodobú stabilitu alebo mechanické vlastnosti hybridných materiálov.

Ultrazvukové erózne testovanie

Odolnosť proti kavitačnej erózii je dôležitým aspektom trvanlivosti a životnosti materiálu. Aby sa zabezpečila funkčnosť materiálu, musí sa testovať sklon k erózii a únava materiálu, aby sa zabezpečila kvalita. Odolnosť proti erózii má veľký význam pre materiály používané v náročných prostrediach, ako sú lodné vrtule, (námorné) nátery, čerpadlá, komponenty motorov, hydraulické turbíny, hydraulické dynamometre, ventily, ložiská, vložky valcov dieselových motorov, krídlové krídla a vo vnútorných prietokových kanáloch s prekážkami atď. Na vykonanie testovania kavitačnej erózie v súlade s normou ASTM G32-92 je nevyhnutná kontrolovateľná a reprodukovateľná ultrazvuková signalizácia. Ultrazvukové prístroje Hielscher možno použiť na priame a nepriame erózne testovanie vzoriek. Rovnaké ultrazvukové zariadenie je možné použiť na priame aj nepriame testy. Počas priameho testovania sa vzorka na analýzu pripevní k sonotrode, zatiaľ čo pri nepriamom testovaní erózie sa vzorka zafixuje v kadičke. Skúšky erózie je možné vykonávať za plne kontrolovaných podmienok prostredia a takmer v každej tekutine. Nastavením intenzity ultrazvuku je možné erozívnu silu prispôsobiť požiadavkám testu. Prečítajte si viac o testovaní erózie!

Ultrazvukové čistenie drôtov a káblov

Nekonečné materiály, ako sú drôty, káble, pásky, tyče a rúry, musia byť pred ďalším spracovaním očistené od zvyškov mazív, ako je galvanizácia, vytláčanie alebo zváranie. Čistenie nekonečných materiálov je často úzkym hrdlom výrobnej linky. Spoločnosť Hielscher Ultrasonics ponúka jedinečný proces ultrazvukového čistenia pre efektívne čistenie v linke, ktorý zvládne aj vysokú priepustnosť. Účinok kavitácie generovanej ultrazvukovým výkonom odstraňuje zvyšky maziva, ako je olej alebo mastnota, mydlá, stearáty alebo prach. Okrem toho sa častice znečistenia rozptýlia do čistiacej kvapaliny. Tým sa zabráni novej priľnavosti k čistenému materiálu a častice sa vypláchnu. Prehľad výhod ultrazvukového čistenia: osvedčené & Spoľahlivé, efektívne, šetrné k životnému prostrediu, menej alebo žiadne chemické čistiace prostriedky, plug-and-play, modulárne systémy, jednoduchá obsluha, nízka údržba, prevádzka 24 hodín denne, 7 dní v týždni, malé rozmery, dodatočne vybavené, prispôsobiteľné. Prečítajte si viac o nepretržitom čistení prameňov!

Ultrazvukové preosievanie a filtrácia

Oddelenie častíc podľa rozdielu veľkosti vyžaduje premiešanie sita alebo pletiva. Ultrazvukové miešanie na preosievanie a preosievanie je osvedčený nástroj, ktorý zvyšuje kapacitu sitovania a šetrí čas, pretože prášky môžu prechádzať sitom rýchlejšie a úplnejšie. Výsledkom je lepšia kvalita konečného produktu s menšími stratami materiálu v dôsledku neúplného oddelenia – a to všetko v kratšom čase spracovania. Prečítajte si viac o preosievaní a preosievaní!

Ultrazvuková úprava vody

Kontrola rastu baktérií a rias vo vode je pre mnohé priemyselné odvetvia veľmi dôležitým procesom výroby pred alebo po prúde. Silné ultrazvukové vlny sú známe svojimi účinkami na bunkové štruktúry, ktoré spôsobujú lýzu buniek a bunkovú smrť, ako aj svojou čistiacou schopnosťou v dôsledku mechanického nárazu.
Okrem toho je možné nádrže, sudy, nádoby a dokonca aj filtre úspešne vyčistiť od biofilmov, zvyškov a nečistôt vo veľmi jednoduchom, ale účinnom kroku sonikácie. Ultrazvukom generované mechanické vibrácie a kavitačné šmykové sily odstraňujú nečistoty. Vo všeobecnosti nie sú potrebné čistiace prostriedky a odstránené zvyšky sa dajú ľahko opláchnuť.

Riešenia špecifické pre dané odvetvie

Ultrazvuk pre nanomateriály

Nano materiály upútali pozornosť vedcov, výskumníkov a inžinierov takmer všetkých odvetví, pretože nanočastice vykazujú jedinečné vlastnosti. Ich fyzikálne vlastnosti, ako sú optické a magnetické vlastnosti, špecifické teplo, teploty topenia a povrchová reaktivita, ponúkajú vysoký potenciál pre materiál s mimoriadnou pevnosťou. Ale čím menšie častice, tým ťažšie je ich liečba. Vysokovýkonné ultrazvuky sú často jedinou metódou na efektívne pôsobenie nanočastíc. Vplyv výkonového ultrazvuku umožňuje rozmanité aplikácie v materiálovej chémii & vývoj, katalýza, elektronika, energetika, ako aj biológia & lekárstvo.
Vysokovýkonné ultrazvukové prístroje sú väčšinou jediným účinným nástrojom na dosiahnutie požadovaných výsledkov frézovania a dispergovania nanočastíc (napr. nanotrubíc, grafén, nanodiamanty, keramika, oxidy kovov atď.). Alternatívne je ultrazvukom asistované zrážanie alebo takzvaná syntéza zdola nahor efektívnym spôsobom vytvárania čistých nanokryštálov s jedinečnými vlastnosťami. Osobitný záujem vzbudzujú najmä kovové nanočastice, zliatiny a organokovové kompozity, pretože kovy majú v priemyselnom sektore veľký význam. Aj tu ponúka sonikácia jedinečné výsledky, ako je pocínovanie častíc hliníka a titánu.

Ultrazvuková syntéza zdola nahor

Zrážanie alebo syntéza zdola nahor popisuje riadenú tvorbu atómov, molekúl a iónov do väčších chemických zlúčenín. Zrážanie je tiež užitočné na čistenie produktov. Výhodou zrážania je, že touto metódou sa získajú najmenšie častice takmer jednotného tvaru, veľkosti častíc/kryštálov a morfológie. Na výrobu nanočastíc vysokej čistoty je zrážanie a samoorganizácia molekulárnych zložiek často jediným spôsobom, ako dosiahnuť požadovanú kvalitu. Keďže zrážanie je veľmi rýchla reakcia, účinné miešanie reaktantov je nevyhnutné. Ultrazvukové miešanie je kľúčom k rovnomernému a jemnému zmiešanému roztoku. Spoločnosť Hielscher Ultrasonics dodáva vysoko spoľahlivé ultrazvukové zariadenia, ktoré zaručujú úplnú kontrolu nad parametrami procesu a úplnú reprodukovateľnosť. Prečítajte si viac o zrážkach!

Ultrazvuk v chémii a sonochémii

Ultrazvukové aplikácie v chémii sa rozvetvujú v každej sekcii vrátane syntézy materiálov, analytiky & stanovenie, biochémia, organické & anorganická chémia, neurochémia, jadrová chémia ako aj elektrochémia. Či vysokovýkonný ultrazvuk podporuje reakcie svojimi vynikajúcimi schopnosťami miešania (napr. emulzná chémia, fázová prenosová katalýza PTC), aktivuje povrchy (napr. katalýza, Sol-gél), iniciuje prispievaním požadovanej kinetickej energie alebo prekonaním chemických síl (napr. Zeta potenciál, Van-der-Waalsove sily, reakcie otvárania kruhu), je možné dosiahnuť jedinečné výsledky.

Ultrazvuková sonokatalýza

Katalyzátory zvyšujú mieru konverzie chemických reakcií a sú potrebné na začatie reakcie alebo na udržanie reakcie v, kým sa nedosiahne úplná konverzia. Skutočnosť, že katalytické reakcie sú často pomalé a neúplné, môže byť zmenená ultrazvukom s vysokým výkonom. Ultrazvuk prispieva k homogénnej aj heterogénnej katalýze a dosahuje rýchlejšie miery konverzie a vyššie výnosy. Ultrazvukové sily vytvárajú vysoko reaktívne povrchy a tým zvyšujú katalytickú aktivitu. Aj keď sa katalyzátory samy o sebe nespotrebúvajú, povrchové usadzovanie môže časom znížiť aktivitu katalyzátora. Keďže tuhé katalyzátory často vyžadujú vzácne a drahé kovy, dlhá životnosť je ekonomicky nevyhnutným aspektom. Ultrazvuk je osvedčená technika na odstránenie znečistenia z povrchu katalyzátora pre reaktiváciu na plnú katalytickú kapacitu. Prečítajte si viac o sono-katalýze!

Sonochémia

Chemické reakcie sú často pomalé a neúplné, preto je žiaduce dosiahnuť plnšie využitie prekurzorov. Vysokovýkonné ultrazvuky spôsobujú fyzikálne účinky v kvapalinách, napríklad zvýšený prenos hmoty, emulgáciu, objemové tepelné zahrievanie a rôzne účinky na pevné látky (mletie, deaglomerácia, povrchová aktivácia, modifikácia). Tieto fyzikálne účinky významne ovplyvňujú chemické reakcie. V dôsledku toho ultrazvuk prispieva k rôznorodej chemickej reakcii, ako je katalýza, syntéza & zrážanie, cesty sol-gél, emulzná chémia a chémia polymérov. Ultrazvukové prístroje Hielscher sú ideálne pre sonochemické aplikácie, pretože systémy Hielscher sú schopné manipulovať s rozpúšťadlami, kyselinami, zásadami a výbušnými materiálmi (ATEX menovitý ultrazvuk UIP1000hd-Exd). Všetky systémy je možné použiť na dávkovú sonikaciu, ako aj na inline sonikáciu. Široký sortiment zariadení a príslušenstva umožňuje prispôsobenie procesným požiadavkám. Prečítajte si viac o sonochémii!

Ultrazvukové trasy sol-gel

Ultrajemné nanočastice a guľovité častice, tenkovrstvové povlaky, vlákna, porézne a husté materiály, ako aj extrémne porézne aerogély a xerogély sú vysoko potenciálnymi prísadami pre vývoj a výrobu vysokovýkonných materiálov. Pokročilé materiály, vrátane napr. keramiky, vysoko poréznych, ultraľahkých aerogélov a organicko-anorganických hybridov, je možné syntetizovať z koloidných suspenzií alebo polymérov v kvapaline metódou sol-gél. Materiál vykazuje jedinečné vlastnosti, pretože generované častice solu sa pohybujú vo veľkosti nanometrov. Ultrazvukovou cestou sol-gel je možné vytvoriť gély (tzv. sono-gély) s najmenšou veľkosťou častíc, najväčším povrchom a najvyšším objemom pórov. Široký sortiment ultrazvukových zariadení Hielscher ponúka ideálnu konfiguráciu zariadenia pre špecifické materiály a objemy. Prečítajte si viac o procesoch sol-gel!

Ultrazvuková chemická degradácia

Chemický odpad, ktorý spôsobuje jeho zhodnocovanie a degradáciu, je vážnym problémom priemyselných procesov, ako je ťažba, výroba chemikálií a skládky. Odpad a znečisťujúce látky (napr. v pôde, odpadových vodách...) sa musia spracovávať z hľadiska recyklácie, znižovania množstva odpadu alebo ukladania. Sonochemická degradácia je vysoko potenciálny proces, ktorý sa okrem vynikajúcich a jedinečných výsledkov vyznačuje aj šetrnosťou k životnému prostrediu a jednoduchou obsluhou. Sonikacia môže mať za následok štiepenie väzieb, skrátenie dĺžky reťazca, molekulárnu modifikáciu alebo aktiváciu. Tým prispieva k oxidácii, sorpcii, sonolýze a lúhovaniu. Charakteristickými znakmi ultrazvukom asistovanej degradácie sú zvýšenie rýchlosti chemickej premeny, ako aj ultrazvuková kavitácia a sonochemické účinky zabezpečujú lepšie miešanie, iniciáciu reakcií vstupom energie, tvorbu funkčných skupín (napr. štiepenie –OH hydroxylové skupiny) a radikálov (napr. H₂O -> H+ a HO-).

ultrazvuková polymerizácia

Sonikácia má rôzne účinky na polyméry: účinky fyzikálnej povahy zahŕňajú miešanie (ako je emulgácia, dispergovanie, deaglomerácia, enkapsulácia) a objemové zahrievanie, zatiaľ čo chemické účinky vytvárajú voľné radikály a menia molekulárne štruktúry. Ultrazvuk prispieva k polymerizácii niekoľkými spôsobmi: Vysokovýkonné ultrazvukové vlny produkujú a rozptyľujú nanočastice, emulgujú nemiešateľné kvapalné fázy a vytvárajú voľné radikály, ktoré prispievajú k emulznej polymerizácii. Polymérne nanokompozity a hydrogély je možné úspešne vyrábať ultrazvukom. Okrem toho povrchová funkcionalizácia polymérov zohráva dôležitú úlohu pri zvyšovaní výkonu základných polymérov a ponúka nové prístupy k vývoju materiálov na mieru. Zlepšenie povrchových vlastností komoditných polymérov má vysoký ekonomický význam. Sonochémia je tak tou správnou cestou pre úspešnú úpravu polymérom.

Ultrazvuková regenerácia a regenerácia katalyzátora

Keď činidlá reagujú na povrchu častíc katalyzátora, produkty chemickej reakcie sa hromadia na kontaktnej ploche. To spolu so znečistenými a pasivačnými vrstvami blokuje interakciu iných molekúl činidla na tomto povrchu katalyzátora. Ultrazvukovou kavitáciou a tým spôsobenou zrážkou medzi časticami sa zvyšky na povrchu častíc odlomia a odplavia ultrazvukovým prúdením v kvapaline. Kavitačná erózia na povrchoch častíc vytvára nepasivované, vysoko reaktívne povrchy. Krátkodobé vysoké teploty a tlaky prispievajú k molekulárnemu rozkladu a zvyšujú reaktivitu mnohých chemických druhov. Ultrazvukové reaktory Hielscher je možné použiť pri príprave, regenerácii a regenerácii katalyzátorov.

Sonoluminiscence

Sonoluminiscence opisuje fenomén krátkych zábleskov vyžarovania svetla generovaných implodáciou ultrazvukových kavitačných bublín v kvapalnom médiu. Hoci existujú rôzne teórie, ktoré sa snažia odhaliť fenomén sonoluminiscencie, dodnes vedci nedokázali dokázať svoje teórie, ktoré zahŕňajú hotspot, bremsstrahlungové žiarenie, žiarenie vyvolané kolíziou a korónové výboje, neklasické svetlo, protónové tunelovanie, elektrodynamické výtrysky a fraktoluminiscenčné prúdy, kvantové vysvetlenie (ktoré súvisí s Unruhovým alebo Casimirovým javom) alebo termonukleárnu fúznu reakciu.

Ultrazvuk v biológii a mikrobiológii

Ultrazvukové účinky na biologické a mikrobiologické systémy sú rôznorodé: Dispergácia & Homogenizácia, rozpúšťanie agregátov, lýza buniek a tkanív (napr. baktérie, kvasinky, vírusy, riasy...) & extrakcia intracelulárnych materiálov (napr. proteíny, organely, ribozómy, DNA, RNA, lipidy, peptidy...), transformácia rastlinných buniek, izolácia a strihanie chromatínu, imunoprecipitácia chromatínu a súvisiace aplikácie sa úspešne vykonávajú sonikáciou.
Hielscher Ultrasonics má dokonale vhodný ultrazvuk pre každú jednotlivú aplikáciu. Pre najmenšie injekčné liekovky a skúmavky je VialTweeter zariadením podľa vášho výberu, zatiaľ čo laboratórne sondy, ako je UP200Ht alebo UP400St, najlepšie ošetrí väčšie vzorky. Pre stolové a komerčné aplikácie ultrazvukové systémy od 500 W do 16 000 W ľahko zvládnu veľké objemové prúdy. Rôzne sonotrody, prietokové bunky a príslušenstvo dopĺňajú program a pokrývajú všetky požiadavky.

Ultrazvukové strihanie DNA, RNA a chromatínu

Deoyxribonukleová kyselina (DNA), ribonukleová kyselina (RNA) a chromatín sú – spolu s proteínmi – hlavnými makromolekulami pre všetky formy života. DNA a RNA sú molekuly, ktoré kódujú genetické inštrukcie organizmov. Chromatín je kombinácia DNA a proteínov, kde sa z obsahu bunkového jadra vytvára. Na výskumné účely je potrebné tieto molekulárne stavebné bloky rozdeliť na menšie komponenty, aby sa mohli preskúmať a analyzovať alebo preskupiť počas imunoprecipitácie a zosieťovania. Na strihanie DNA, RNA a chromatínu, veľkosť fragmentu je veľmi dôležitá. Úplnou kontrolou všetkých dôležitých parametrov umožňuje ultrazvuk cielenú fragmentáciu molekúl. Napríklad ideálna dĺžka fragmentu chromatínu sa pohybuje medzi 200 a 1000 bp. ultrazvukové strihanie sa dosahuje dávkami v pulznom režime. Vďaka inteligentným zariadeniam a príslušenstvu poskytuje ultrazvukové zariadenie Hielscher potreby spracovania, ako je priama alebo nepriama sonifikácia, chladenie vzoriek, digitálne zaznamenávanie procesov. To zaisťuje úspešné mikrobiologické spracovanie a komfort obsluhy.

Ultrazvuk pre farby, atramenty a pigmenty

V priemysle farieb, náterov a atramentov sú častice základnou surovinou pre formulácie produktov. Pre vysoko kvalitné výrobky, ktoré ponúkajú očakávané vlastnosti, je rozhodujúce rovnomerné a spoľahlivé spracovanie častíc. Veľkosť častíc je kľúčovým faktorom, ktorý ovplyvňuje vlastnosti konečného produktu. Vysokovýkonný ultrazvuk je účinným prostriedkom na frézovanie a deaglomeráciu mikrónových a nanorozmerov – bez problémov, ktoré sa vyskytujú pri používaní frézovacích médií alebo trysiek.
Pre atramenty a atramentové atramenty, veľkosť častíc je kľúčovou značkou kvality: ak sú pigmenty príliš malé, atrament stráca svoju tónovaciu silu – Ak sú pigmenty príliš veľké, trysky tlačiarne sa upchávajú, čo má za následok zlé výtlačky. Ultrazvuk umožňuje presne prispôsobiť parametre spracovania výsledkom nasávaného frézovania a deaglomerácie. Keď sa raz nájdu ideálne parametre ultrazvukového spracovania, nie je dôvod ich meniť. Nepretržitá inline výroba umožňuje rovnomerný výstup najvyššej kvality produktu. Distribúcia častíc vo formulácii je životne dôležitá pre vyjadrenie atribútov produktu. Iba ak sú častice rozptýlené rovnomerne a rovnomerne, konečný produkt vykazuje uspokojivú kvalitu, ako je priehľadnosť, odolnosť proti UV žiareniu alebo odolnosť náterov proti poškriabaniu. Dispergácia je jednou z osvedčených výkonových aplikácií ultrazvuku.

Ultrazvuk pre kozmetiku a výrobky osobnej starostlivosti

Pre výroba kozmetiky, zmiešanie ingrediencií je nevyhnutným krokom. Vysokovýkonné ultrazvuky dosahujú spoľahlivé výsledky pri jemnej homogenizácii, dispergácii a emulgácii – napr. pre krémy a pleťové vody, laky na nechty a make-upové produkty. Okrem aplikácií miešania je ultrazvuk dobre známy extrakciou a modifikáciou buniek (napr. lipozómy), tiež. Keďže mnohé zložky, ktoré sa dostanú do formulácie, sa získavajú extrakciou, napríklad lipidy, bielkoviny, aromatické zlúčeniny alebo farbivá z buniek, ultrazvuk je nástrojom s vysokým potenciálom pre nové formulácie.

Ultrazvuk pre farmaceutický priemysel

Aplikácie ultrazvuku vo farmaceutickom priemysle sú rôznorodé: syntéza chemických zlúčenín, extrakcia účinných látok (napr. fenolov, flavonoidov z rastlín), emulgácia (pleťových vôd, krémov a mastí), príprava lipozómov (nanoemulzifikácia a následná enkapsulácia bioaktívnych zlúčenín) alebo inaktivácia vírusov a patogénov pre vakcíny. Pri výrobe liečiv umožňuje použitie ultrazvukových prístrojov Hielscher zvýšenie výrobných kapacít zlepšením výťažkov. Vďaka spoľahlivým priemyselným ultrazvukovým zariadeniam je možné reakcie prebiehať vo väčšom meradle – ako dávkový proces alebo ako kontinuálny proces v reaktore prietokových článkov.

Ultrazvuková výroba biopalív

Energetický sektor ponúka rozmanité aplikácie pre úspešné a efektívne využitie ultrazvuku. Najpopulárnejšou a najznámejšou aplikáciou je možno ultrazvukom asistovaná Bionafta výroba (transesterifikácia z panenského alebo použitého/odpadového rastlinného oleja (UVO); WVO) / živočíšny tuk na bionaftu), čo má za následok vyššiu výťažnosť a kvalitu, menšie použitie metanolu a výrazne zrýchlenú konverziu. Ak surovina bionafty obsahuje viac ako 2 – 3 % voľných mastných kyselín (FFA), esterifikácia kyselín je užitočným krokom, aby sa zabránilo tvorbe vysokého množstva mydla. Okrem transesterifikácia a esterifikačné procesy, vysokovýkonný ultrazvuk podporuje extrakciu olejov z plodín (napr. repka, sója, repka, kukurica, palma, arašidy, kokos, jatrofa atď.) alebo rias.
Bioetanol je zelené palivo, ktoré sa získava, keď škrob a cukor z kukurice, plodín, zemiakov, trstiny, ryže atď. fermentujú kvasinkové bunky na etanol. Aplikáciou výkonových ultrazvukov sa rastlinné bunky narušia a intracelulárny materiál sa extrahuje, aby bola surovina lepšie dostupná pre enzymatické trávenie. Škrob a cukry sú tak lepšie dostupné na fermentáciu, čo vedie k rýchlejšej a úplnejšej premene a vyššiemu výnosu.

Ultrazvuk v palivách, energetike, rope a plyne

Ultrazvuková homogenizačná technika je veľmi účinná na výrobu stabilných a nestabilných emulzií, čo umožňuje úspešnú tvorbu akvapalív. Preto sa palivá, väčšinou ťažšie palivá, ako je lodná nafta, emulgujú s vodou. Použitie paliva napusteného vodou vedie k efektívnejšiemu spaľovaniu a výraznému zníženiu emisií NOx. Ďalšou dôležitou oblasťou je ultrazvukové spracovanie uhlia.

Ultrazvukové procesy vo výrobe potravín, mliečnych výrobkov a nápojov

Mierne spracovanie potravín je čoraz dôležitejšie kvôli rastúcemu dopytu zákazníkov po čerstvých, prevažne prírodných potravinách. Teda pre bežné kroky spracovania, ako je miešanie & homogenizácia, extrakcia, stabilizácia & konzervácia, tradičné metódy sú postupne nahradené inovatívnymi technikami spracovania, ako je ultrazvuk, čo je netepelná metóda pre potraviny. Výhody sonikácie sú založené na jej miernom, rýchlom a čistom spracovaní, čo vedie k menšej strate produktu a zlepšeniu kvality potravín zachovaním čerstvosti a vitamínov. Ultrazvukové procesory Hielscher sa používajú na rôzne aplikácie v potravinárskom priemysle, ako je konzervácia & mikrobiálna inaktivácia, homogenizácia, stabilizácia & konzervácia štiav, pyré a Smoothies, extrakcia aróm a fruktózy (cukru), šmykové riedenie na zníženie viskozity, dozrievanie víno a balzamikový ocot, rafinácia alkoholu & aróma, mrakové emulzie, zmrzlina (podpora nukleácie ľadu a prenosu hmoty), extrakcia rias pre nutraceutiká, konšovanie čokolády na rozbitie kryštálov cukru, skvapalnenie Med, rafinácia jedlých olejov atď. Prečítajte si viac o ultrazvuku pre potraviny a nápoje!

Vedecká literatúra a správy o ultrazvukových prístrojoch Hielscher

Nasledujúci zoznam obsahuje malý výber vedeckých článkov, v ktorých boli ultrazvukové sondy Hielscher úspešne použité na rôzne aplikácie. Požiadajte nás o literatúru týkajúcu sa konkrétnych aplikácií, ktoré vás obzvlášť zaujímajú!

• 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.
• Zahra Hadian, Mohammad Ali Sahari, Hamid Reza Moghimi; Mohsen Barzegar (2014): Formulation, Characterization and Optimization of Liposomes Containing Eicosapentaenoic and Docosahexaenoic Acids; A Methodology Approach. Iranian Journal of Pharmaceutical Research (2014), 13 (2): 393-404.
• Shah Purvin, Parameswara Rao Vuddanda, Sanjay Kumar Singh, Achint Jain, Sanjay Singh (2014): Pharmacokinetic and Tissue Distribution Study of Solid Lipid Nanoparticles of Zidov in Rats. Journal of Nanotechnology, Volume 2014.
• Antonia Tamborrino, Agnese Taticchi, Roberto Romaniello, Claudio Perone, Sonia Esposto, Alessandro Leone, Maurizio Servili (2021): Assessment of the olive oil extraction plant layout implementing a high-power ultrasound machine. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 73, 2021.
• Bruno G. Pollet; Faranak Foroughi; Alaa Y. Faid; David R. Emberson; Md.H. Islam (2020): Does power ultrasound (26 kHz) affect the hydrogen evolution reaction (HER) on Pt polycrystalline electrode in a mild acidic electrolyte? Ultrasonics Sonochemistry Vol. 69, December 2020.