Ultrazvukom: aplikácie a procesy

Ultrazvukom je metóda mechanického spracovania, ktorá vytvára akustickú kavitáciu a vysoko intenzívne fyzické sily. Preto sa ultrazvuk používa na početné aplikácie, ako je miešanie, homogenizácia, frézovanie, disperzia, emulgácia, extrakcia, odplynenie a sono-chemické reakcie.
Nižšie sa dozviete všetko o typických ultrazvukových aplikáciách a procesoch.

Ultrazvukové homogenizácia

Ultrazvukové homogenizátory redukujú malé častice v kvapaline na zlepšenie rovnomernosti a disperznej stability. Častice (disperzná fáza) môžu byť tuhé látky alebo kvapôčky kvapaliny suspendované v kvapalnej fáze. Ultrazvuková homogenizácia je veľmi účinná na redukciu mäkkých a tvrdých častíc. Hielscher vyrába ultrazvukové prístroje na homogenizáciu akéhokoľvek objemu kvapaliny a na dávkové alebo inline spracovanie. Laboratórne ultrazvukové prístroje je možné použiť pre objemy od 1,5 ml do cca 4L. Ultrazvukové priemyselné zariadenia môžu spracovať dávky od 0,5 do približne 2000L alebo prietoky od 0,1 L do 20 metrov kubických za hodinu vo vývoji procesu a v komerčnej výrobe.
Kliknite tu sa dozviete viac o ultrazvukové homogenizácii!

Ultrazvukové dispergovanie a deaglomerácia

Disperzia a deaglomerácia tuhých látok na kvapaliny je dôležitou aplikáciou ultrazvukových prístrojov sondového typu. Ultrazvuková / akustická kavitácia generuje vysoké šmykové sily, ktoré rozdeľujú častice aglomeráty na jednotlivé, jednotlivé rozptýlené častice. Miešanie práškov do kvapalín je bežným krokom pri formulácii rôznych výrobkov, ako sú farby, laky, kozmetické výrobky, potraviny a nápoje alebo leštiace prostriedky. Jednotlivé častice sú držané pohromade príťažlivými silami rôznej fyzikálnej a chemickej povahy, vrátane van-der-Waalsových síl a kvapalného povrchového napätia. Ultrazvukom prekonáva tieto príťažlivé sily, aby deaglomeroval a rozptýlil častice v kvapalných médiách. Na dispergovanie a deaglomeráciu práškov v kvapalinách je ultrazvuk s vysokou intenzitou zaujímavou alternatívou k vysokotlakovým homogenizátorom, vysokošmykovým miešadlám, mlynom na guľôčky alebo zmiešavačom rotor-stator.
Kliknite tu sa dozviete viac o ultrazvukové rozptyľuje a deagglomeration!

Ultrazvukový emulsification

Široká škála medziproduktov a spotrebných výrobkov, ako sú kozmetika a pleťové vody, farmaceutické masti, laky, farby a mazivá a palivá, je založená úplne alebo čiastočne na emulziách. Emulzie sú disperzie dvoch alebo viacerých nemiešateľných kvapalných fáz. Vysoko intenzívny ultrazvuk dodáva dostatok intenzívneho strihu na rozptýlenie kvapalnej fázy (dispergovanej fázy) v malých kvapôčkach v druhej fáze (kontinuálna fáza). V disperznej zóne implodujúce kavitačné bubliny spôsobujú intenzívne rázové vlny v okolitej kvapaline a vedú k tvorbe kvapalných trysiek s vysokou rýchlosťou kvapaliny (vysoký strih). Ultrazvukom je možné presne prispôsobiť cieľovej veľkosti emulzie, čo umožňuje spoľahlivú výrobu mikroemilzií a nano-emulzií.
Kliknite tu sa dozviete viac o ultrazvukové emulsification!

Ultrazvukový mokré-frézovanie a brúsenie

Ultrazvukom je účinný prostriedok na mokré frézovanie a mikrobrúsenie častíc. Najmä pri výrobe superjemných kalov má ultrazvuk mnoho výhod. Je lepší ako tradičné zariadenia na redukciu veľkosti, ako sú: koloidné mlyny (napr. guľové mlyny, guľôčkové mlyny), kotúčové mlyny alebo tryskové mlyny. Ultrazvukom môže spracovať vysokokoncentračné a viskozitné kaly - čím sa znižuje objem, ktorý sa má spracovať. Ultrazvukové frézovanie je samozrejme vhodné na spracovanie materiálov veľkosti mikrónov a nano veľkostí, ako je keramika, pigmenty, síran bárnatý, uhličitan vápenatý alebo oxidy kovov. Najmä pokiaľ ide o nanomateriály, ultrazvukom vyniká vo výkone, pretože jeho vysoko pôsobivé strižné sily vytvárajú rovnomerne malé nanočastice.
Kliknite tu sa dozviete viac o ultrazvukové mokré frézovanie a mikro-brúsenie!

TiO2 sušený rozprašovaním pred a po ultrazvukovom frézovaní

Ultrazvukový rozpad buniek a lýza

Ultrazvukový ošetrenie môže rozbiť vláknitý, celulózový materiál na jemné častice a zlomiť steny bunkovej štruktúry. To uvoľňuje viac vnútrobunkového materiálu, ako je škrob alebo cukor do kvapaliny. Tento účinok sa môže použiť na fermentáciu, trávenie a iné konverzné procesy organickej hmoty. Po frézovaní a mletí ultrazvukom robí viac vnútrobunkového materiálu, napr škrob, ako aj nečistoty bunkovej steny dostupné enzýmom, ktoré premieňajú škrob na cukry. To tiež zvyšuje povrchovú plochu vystavenú enzýmom počas skvapalňovania alebo sacharidov. To zvyčajne zvyšuje rýchlosť a výťažnosť fermentácie kvasiniek a iných procesov konverzie, napr.
Kliknite tu sa dozviete viac o ultrazvukové rozpad bunkových štruktúr!

ultrazvuková extrakcia rastlinných rastlinných

Extrakcia bioaktívnych zlúčenín uložených v bunkách a subcelulárnych časticiach je široko používanou aplikáciou ultrazvuku s vysokou intenzitou. Ultrazvuková extrakcia sa používa na izoláciu sekundárnych metabolitov (napr. polyfenolov), polysacharidov, proteínov, éterických olejov a ďalších účinných látok z bunkovej matrice rastlín a húb. Sonikácia, ktorá je vhodná na extrakciu organických zlúčenín vodou a rozpúšťadlom, výrazne zlepšuje výťažok rastlinných látok obsiahnutých v rastlinách alebo semenách. Ultrazvuková extrakcia sa používa na výrobu farmaceutík, nutraceutík / výživových doplnkov, vôní a biologických prísad. Ultrazvuk je zelená extrakčná technika používaná aj na extrakciu bioaktívnych zložiek v biorafinériách, napr. uvoľňovanie cenných zlúčenín z nevyužívaných tokov vedľajších produktov vytvorených v priemyselných procesoch. Ultrazvukom je vysoko efektívna technológia pre botanickú extrakciu v laboratórnom a výrobnom meradle.
Kliknite sem pre viac informácií o ultrazvukovej extrakcii!

Sonochemical aplikácia ultrazvukom

Sonochemistry je aplikácia ultrazvuku na chemické reakcie a procesy. Mechanizmus spôsobujúci sonochemical účinky v kvapalinách je fenomén akustickej kavitácie. Sonochemical účinky na chemické reakcie a procesy zahŕňajú zvýšenie reakčnej rýchlosti alebo výstupu, efektívnejšie využitie energie, zlepšenie výkonu fázového prenosu katalyzátorov, aktiváciu kovov a pevných látok alebo zvýšenie reaktivity činidiel alebo katalyzátorov.
Kliknite tu sa dozviete viac o sonochemical účinky ultrazvuku!

Ultrazvukový transesterifikácia ropy na bionaftu

Ultrazvukom zvyšuje rýchlosť chemickej reakcie a výťažok transesterifikácie rastlinných olejov a živočíšnych tukov na bionaftu. To umožňuje zmenu výroby zo sériového spracovania na kontinuálne spracovanie toku a znižuje investičné a prevádzkové náklady. Jednou z hlavných výhod výroby ultrazvukovej bionafty je použitie odpadových olejov, ako sú použité kuchynské oleje a iné nekvalitné zdroje oleja. Ultrazvuková transesterifikácia môže premeniť aj nekvalitnú surovinu na vysoko kvalitnú bionaftu (metylester mastných kyselín / FAME). Výroba bionafty z rastlinných olejov alebo živočíšnych tukov zahŕňa bázovo katalyzovanú transesterifikáciu mastných kyselín metanolom alebo etanolom s cieľom získať zodpovedajúce metylestery alebo etylestery. Ultrazvukom môže dosiahnuť výťažok bionafty vyšší ako 99%. Ultrazvuk výrazne skracuje čas spracovania a čas separácie.
Kliknite tu sa dozviete viac o Rozpúšťadle asistovanej transesterifikácia ropy do bionafty!

Ultrazvukové odplynenie a odvzdušnenie kvapalín

Odplynenie kvapalín je ďalšou dôležitou aplikáciou ultrazvukových prístrojov sondového typu. Ultrazvukové vibrácie a kavitácia spôsobujú koalescenciu rozpustených plynov v kvapaline. Keď sa minútové plynové bubliny spoja, vytvoria tak väčšie bubliny, ktoré rýchlo plávajú na horný povrch kvapaliny, odkiaľ sa dajú odstrániť. Ultrazvukové odplynenie a odvzdušnenie tak môže znížiť hladinu rozpusteného plynu pod úroveň prirodzenej rovnováhy.
Kliknite tu sa dozviete viac o ultrazvukové odplynenie kvapalín!

Ultrazvukový drôt, kábel a Strip Čistenie

Ultrazvukové čistenie je ekologickou alternatívou na čistenie spojitých materiálov, ako sú drôty a káble, pásky alebo rúrky. Účinok silnej ultrazvukovej kavitácie odstraňuje zvyšky mazania, ako je olej alebo tuk, mydlá, stearáty alebo prach z povrchu materiálu. Hielscher Ultrasonics ponúka rôzne ultrazvukové systémy na inline čistenie kontinuálnych profilov.
Kliknite sem pre viac informácií o ultrazvukovom čistení kontinuálnych profilov!

Čo robí sonikáciu vynikajúcou metódou spracovania?

Sonikácia alebo použitie vysokofrekvenčných zvukových vĺn na miešanie kvapalín je efektívnou metódou spracovania z rôznych dôvodov. Tu je niekoľko dôvodov, prečo je sonikácia pri približne 20 kHz obzvlášť účinná:

1. kavitácia: Jedným z hlavných mechanizmov sonikácie je tvorba a kolaps malých bublín, fenomén nazývaný kavitácia. Pri 20 kHz sú zvukové vlny na správnej frekvencii, aby efektívne vytvárali a zrútili bubliny. Kolaps týchto bublín vytvára vysokoenergetické rázové vlny, ktoré môžu rozkladať častice a narušiť bunky v sonikovanej kvapaline.
2. Oscilácia a vibrácie: Okrem generovanej akustickej kavitácie oscilácia ultrazvukovej sondy vytvára ďalšie miešanie a miešanie v kvapaline, čím podporuje prenos hmoty a / alebo odplynenie.
3. Penetrácia: Zvukové vlny pri 20 kHz majú relatívne dlhú vlnovú dĺžku, ktorá im umožňuje preniknúť hlboko do kvapalín. Ultrazvuková kavitácia je lokalizovaný jav, ktorý sa objavuje v okolí ultrazvukovej sondy. So zvyšujúcou sa vzdialenosťou od sondy klesá intenzita kavitácie. Avšak sonikácia pri 20 kHz môže účinne spracovať väčšie objemy kvapaliny v porovnaní s vyššou frekvenciou sonikácie, ktorá má kratšie vlnové dĺžky a môže byť obmedzenejšia v hĺbke prieniku.
4. Nízka spotreba energie: Sonikáciu je možné dosiahnuť s relatívne nízkou spotrebou energie v porovnaní s inými metódami spracovania, ako je vysokotlaková homogenizácia alebo mechanické miešanie. To z neho robí energeticky účinnejšiu a nákladovo efektívnejšiu metódu spracovania kvapalín.
5. Lineárna škálovateľnosť: Ultrazvukové procesy môžu byť škálované úplne lineárne na väčšie alebo menšie objemy. Vďaka tomu sú úpravy procesov vo výrobe spoľahlivé, pretože kvalita výrobkov môže byť udržiavaná nepretržite stabilná.

Celkovo možno povedať, že intenzívne sily kavitácie, nízka spotreba energie a škálovateľnosť procesov robia z nízkofrekvenčnej sonikácie s vysokým výkonom efektívnu metódu spracovania kvapalín.

Pracovný princíp a použitie ultrazvukového spracovania

Ultrazvukom je technológia komerčného spracovania, ktorá bola prijatá mnohými priemyselnými odvetviami pre veľkovýrobu. Vysoká spoľahlivosť a mierka, ako aj nízke náklady na údržbu a vysoká energetická účinnosť robia ultrazvukové procesory dobrou alternatívou pre tradičné zariadenia na spracovanie kvapalín. Ultrazvuk ponúka ďalšie vzrušujúce príležitosti: Kavitácia - základný ultrazvukový efekt - prináša jedinečné výsledky v biologických, chemických a fyzikálnych procesoch. Napríklad ultrazvuková disperzia a emulgácia ľahko produkuje stabilné nano-veľké formulácie. Aj v oblasti botanickej extrakcie je ultrazvuk netepelnou technikou na izoláciu bioaktívnych zlúčenín.

Zatiaľ čo ultrazvuk s nízkou intenzitou alebo vysokou frekvenciou sa používa hlavne na analýzu, nedeštruktívne testovanie a zobrazovanie, vysoko intenzívny ultrazvuk sa používa na spracovanie kvapalín a pást, kde sa intenzívne ultrazvukové vlny používajú na miešanie, emulgáciu, dispergáciu a deaglomeráciu, rozpad buniek alebo deaktiváciu enzýmov. Pri sonikácii kvapalín pri vysokých intenzitách sa zvukové vlny šíria cez kvapalné médium. To má za následok striedanie vysokotlakových (kompresných) a nízkotlakových (zriedkavých) cyklov s rýchlosťami v závislosti od frekvencie. Počas nízkotlakového cyklu vytvárajú ultrazvukové vlny s vysokou intenzitou v kvapaline malé vákuové bubliny alebo dutiny. Keď bubliny dosiahnu objem, pri ktorom už nedokážu absorbovať energiu, prudko sa zrútia počas vysokotlakového cyklu. Tento jav sa nazýva kavitácia. Počas implózie sa lokálne dosahujú veľmi vysoké teploty (cca 5 000K) a tlaky (cca 2 000atm). Implózia kavitačnej bubliny má tiež za následok prúdy kvapaliny s rýchlosťou až 280 metrov za sekundu.

Ultrazvuková kavitácia v kvapalinách môže spôsobiť rýchle a úplné odplynenie; iniciujú rôzne chemické reakcie generovaním voľných chemických iónov (radikálov); urýchliť chemické reakcie uľahčením miešania reaktantov; zvýšiť polymerizačné a depolymerizačné reakcie dispergovaním agregátov alebo trvalým prerušením chemických väzieb v polymérnych reťazcoch; zvýšiť mieru emulgácie; zlepšiť rýchlosť difúzie; produkovať vysoko koncentrované emulzie alebo rovnomerné disperzie materiálov veľkosti mikrónov alebo nanomateriálov; pomáhajú pri extrakcii látok, ako sú enzýmy zo živočíšnych, rastlinných, kvasinkových alebo bakteriálnych buniek; odstrániť vírusy z infikovaného tkaniva; a nakoniec erodovať a rozkladať citlivé častice vrátane mikroorganizmov. (porov. Kuldiloke 2002)

Ultrazvuk s vysokou intenzitou spôsobuje prudké miešanie v kvapalinách s nízkou viskozitou, ktoré sa môžu použiť na rozptýlenie materiálov v kvapalinách. (porov. Ensminger, 1988) Na rozhraniach kvapalina/tuhá látka alebo plyn/tuhá látka môže asymetrická implózia kavitačných bublín spôsobiť extrémne turbulencie, ktoré znižujú hraničnú vrstvu difúzie, zvyšujú prenos konvekčnej hmoty a výrazne urýchľujú difúziu v systémoch, kde bežné miešanie nie je možné. (porov. Nyborg, 1965)