Ultrazvukové spracovanie kvapalín, suspenzií a chemických reakcií

Ultrazvukové spracovanie je mechanická metóda spracovania, ktorá vytvára akustickú kavitáciu a veľmi intenzívne fyzikálne sily. Preto sa ultrazvuk využíva v mnohých aplikáciách, ako sú miešanie, homogenizácia, mletie, dispergácia, emulgácia, extrakcia, odplyňovanie a sonochemické reakcie.

Nájdite svoju aplikáciu v tabuľke nižšie, kliknite na odkaz a prejdite priamo na proces, ktorý vás zaujíma! Zistite, ako sonikácia zlepšuje proces a jeho účinnosť.

Ultrazvuková homogenizácia

Ultrazvukové homogenizátory zmenšujú malé častice v kvapaline, čím zlepšujú rovnomernosť a stabilitu disperzie. Častice (dispergovaná fáza) môžu byť pevné látky alebo kvapôčky kvapaliny suspendované v kvapalnej fáze. Ultrazvuková homogenizácia je veľmi účinná pri zmenšovaní mäkkých aj tvrdých častíc. Hielscher vyrába ultrazvukové procesory na homogenizáciu ľubovoľného objemu kvapaliny a na vsádzkové alebo priebežné spracovanie. Laboratórne ultrazvukové zariadenia sa môžu používať pre objemy od 1,5mL do približne 4L. Priemyselné ultrazvukové zariadenia dokážu pri vývoji procesov a v komerčnej výrobe spracovať vsádzky od 0,5 do približne 2000L alebo pracovať s prietokmi od 0,1L do 20 kubických metrov za hodinu.
Objavte silu ultrazvukovej homogenizácie!

Ultrazvuková dispergácia a deaglomerácia

Dispergácia a deaglomerácia pevných látok v kvapalinách je dôležitou aplikáciou ultrazvukových procesorov so sondou. Ultrazvuková / akustická kavitácia vytvára vysoké šmykové sily, ktoré rozrušujú aglomeráty častíc na jednotlivé, samostatne dispergované častice. Primiešavanie práškov do kvapalín je bežným krokom pri príprave rôznych výrobkov, ako sú farby, laky, kozmetické výrobky, potraviny a nápoje alebo leštiace médiá. Jednotlivé častice držia pohromade príťažlivé sily rôznej fyzikálnej a chemickej povahy vrátane van der Waalsových síl a povrchového napätia kvapaliny. Ultrazvukové spracovanie prekonáva tieto príťažlivé sily, čím umožňuje deaglomeráciu a dispergáciu častíc v kvapalných médiách. Pri dispergácii a deaglomerácii práškov v kvapalinách je ultrazvukové spracovanie s vysokou intenzitou zaujímavou alternatívou k vysokotlakovým homogenizátorom, miešačom s vysokým šmykom, perličkovým mlynom alebo rotorovo-statorovým miešačom.
Získajte podrobné informácie o ultrazvukovej dispergácii a deaglomerácii!

Ultrazvuková emulgácia

Široká škála medziproduktov a spotrebných výrobkov, ako sú kozmetika a pleťové mlieka, farmaceutické masti, laky, farby, mazivá a palivá, je úplne alebo čiastočne založená na emulziách. Emulzie sú disperzie dvoch alebo viacerých nemiešateľných kvapalných fáz. Vysokointenzívny ultrazvuk vytvára dostatočne intenzívny šmyk na dispergovanie kvapalnej fázy (dispergovanej fázy) vo forme malých kvapôčok v druhej fáze (kontinuálnej fáze). V dispergačnej zóne spôsobujú implodujúce kavitačné bubliny intenzívne rázové vlny v okolitej kvapaline a vedú k tvorbe kvapalinových prúdov s vysokou rýchlosťou prúdenia (vysokým šmykom). Sonikáciu možno presne prispôsobiť cieľovej veľkosti kvapôčok emulzie, čo umožňuje spoľahlivú výrobu mikroemulzií a nanoemulzií.
Kliknite sem a prečítajte si viac o ultrazvukovej emulgácii!

Ultrazvukové mokré mletie a drvenie

Sonikácia je účinným prostriedkom na mokré mletie a mikromletie častíc. Ultrazvuk má mnoho výhod najmä pri výrobe suspenzií s veľmi jemnými časticami. Prekonáva tradičné zariadenia na zmenšovanie veľkosti častíc, ako sú koloidné mlyny (napr. guľové mlyny, perlové mlyny), kotúčové mlyny alebo prúdové mlyny. Sonikáciou možno spracovávať suspenzie s vysokou koncentráciou a vysokou viskozitou – čím sa znižuje objem, ktorý je potrebné spracovať. Ultrazvukové mletie je samozrejme vhodné na spracovanie materiálov s mikrometrovou a nanometrovou veľkosťou častíc, ako sú keramika, pigmenty, síran bárnatý, uhličitan vápenatý alebo oxidy kovov. Najmä pri nanomateriáloch sonikácia vyniká svojím výkonom, pretože jej mimoriadne účinné šmykové sily vytvárajú rovnomerne malé nanočastice.
Prečítajte si viac o ultrazvukovom mokrom mletí a mikromletí!

TiO2 sušený rozprašovaním pred ultrazvukovým mletím a po ňom

Ultrazvuková dezintegrácia a lýza buniek

Ultrazvukové spracovanie môže rozložiť vláknitý celulózový materiál na jemné častice a narušiť steny bunkovej štruktúry. Tým sa do kvapaliny uvoľní viac vnútrobunkového materiálu, ako je škrob alebo cukor. Tento účinok možno využiť pri fermentácii, digescii a iných procesoch premeny organickej hmoty. Po mletí a drvení sonikácia sprístupňuje enzýmom, ktoré premieňajú škrob na cukry, väčšie množstvo vnútrobunkového materiálu, napr. škrobu, ako aj zvyškov bunkových stien. Zväčšuje tiež plochu povrchu vystaveného pôsobeniu enzýmov počas skvapalňovania alebo sacharifikácie. Tým sa zvyčajne zvyšuje rýchlosť a výťažnosť kvasinkovej fermentácie a iných procesov premeny, napr. na zvýšenie produkcie etanolu z biomasy.
Prečítajte si viac o ultrazvukovej dezintegrácii bunkových štruktúr!

Ultrazvuková extrakcia rastlinných látok

Extrakcia bioaktívnych zlúčenín uložených v bunkách a subcelulárnych časticiach je široko využívanou aplikáciou vysokointenzívneho ultrazvuku. Ultrazvuková extrakcia sa používa na izoláciu sekundárnych metabolitov (napr. polyfenolov), polysacharidov, bielkovín, éterických olejov a ďalších účinných látok z bunkovej matrice rastlín a húb. Sonikácia je vhodná na extrakciu organických zlúčenín vodou aj rozpúšťadlami a výrazne zvyšuje výťažnosť rastlinných látok obsiahnutých v rastlinách alebo semenách. Ultrazvuková extrakcia sa používa na výrobu liečiv, nutraceutík / výživových doplnkov, vonných látok a biologických prísad. Ultrazvuk je ekologická extrakčná technika, ktorá sa využíva aj na extrakciu bioaktívnych zložiek v biorafinériách, napr. na uvoľňovanie cenných zlúčenín z nevyužívaných prúdov vedľajších produktov vznikajúcich pri priemyselných procesoch. Sonikácia je vysoko účinná technológia na extrakciu rastlinných látok v laboratórnom aj výrobnom meradle.
Objavte výhody ultrazvukovej extrakcie!

Sonochemické využitie ultrazvuku

Sonochémia je aplikácia ultrazvuku pri chemických reakciách a procesoch. Mechanizmom, ktorý spôsobuje sonochemické účinky v kvapalinách, je jav akustickej kavitácie. Sonochemické účinky na chemické reakcie a procesy zahŕňajú zvýšenie rýchlosti reakcie alebo množstva vzniknutého produktu, efektívnejšie využívanie energie, zlepšenie účinnosti katalyzátorov fázového prenosu, aktiváciu kovov a tuhých látok alebo zvýšenie reaktivity činidiel či katalyzátorov.
Preskúmajte sonochemické účinky ultrazvuku!

Ultrazvuková transesterifikácia (odpadového) oleja na bionaftu

Sonikácia zvyšuje rýchlosť chemickej reakcie a výťažok transesterifikácie rastlinných olejov a živočíšnych tukov na bionaftu. To umožňuje prechod výroby z dávkového spracovania na kontinuálne prietokové spracovanie a znižuje investičné aj prevádzkové náklady. Jednou z hlavných výhod ultrazvukovej výroby bionafty je využívanie odpadových olejov, ako sú použité kuchynské oleje a iné nekvalitné olejové suroviny. Ultrazvuková transesterifikácia dokáže premeniť aj nekvalitnú vstupnú surovinu na vysokokvalitnú bionaftu (metylester mastnej kyseliny / FAME). Výroba bionafty z rastlinných olejov alebo živočíšnych tukov zahŕňa zásadito katalyzovanú transesterifikáciu mastných kyselín metanolom alebo etanolom za vzniku príslušných metylesterov alebo etylesterov. Sonikáciou možno dosiahnuť výťažok bionafty presahujúci 99%. Ultrazvuk výrazne skracuje čas spracovania aj čas separácie.
Kliknite sem a prečítajte si viac o ultrazvukom podporovanej transesterifikácii oleja na bionaftu!

Ultrazvukové odplyňovanie, odvzdušňovanie a odpeňovanie kvapalín

Odplyňovanie kvapalín je ďalšou dôležitou aplikáciou sondových ultrazvukových zariadení. Ultrazvukové vibrácie a kavitácia spôsobujú koalescenciu rozpustených plynov v kvapaline. Pri koalescencii drobných plynových bublín vznikajú väčšie bubliny, ktoré rýchlo stúpajú k hladine kvapaliny, odkiaľ ich možno odstrániť. Ultrazvukové odplyňovanie a odvzdušňovanie tak môžu znížiť obsah rozpusteného plynu pod prirodzenú rovnovážnu úroveň.
Kliknite sem a prečítajte si viac o ultrazvukovom odplyňovaní kvapalín!

Ultrazvukové čistenie drôtov, káblov a pásov

Ultrazvukové čistenie je ekologickou alternatívou pri čistení kontinuálnych materiálov, ako sú drôty a káble, pásy alebo rúrky. Účinok silnej ultrazvukovej kavitácie odstraňuje z povrchu materiálu zvyšky mazív, ako sú oleje alebo mazacie tuky, mydlá, stearáty či prach. Hielscher Ultrasonics ponúka rôzne ultrazvukové systémy na priebežné čistenie kontinuálnych profilov.
Kliknite sem a získajte viac informácií o ultrazvukovom čistení kontinuálnych profilov!

Čo robí zo sonikácie lepšiu metódu spracovania?

Sonikácia, teda využívanie vysokofrekvenčných zvukových vĺn na rozprúdenie kvapalín, je účinnou metódou spracovania z viacerých dôvodov. Tu je niekoľko dôvodov, prečo je sonikácia s vysokou intenzitou a nízkou frekvenciou približne 20kHz mimoriadne účinná a výhodná pri spracovaní kvapalín a suspenzií:

1. Kavitácia: Jedným z hlavných mechanizmov sonikácie je tvorba a kolaps drobných bublín, čo je jav nazývaný kavitácia. Pri 20kHz majú zvukové vlny práve tú správnu frekvenciu na účinnú tvorbu a kolaps bublín. Kolaps týchto bublín vytvára rázové vlny s vysokou energiou, ktoré môžu rozrušovať častice a narúšať bunky v sonikovanej kvapaline.
2. Oscilácia a vibrácie: Okrem vytváranej akustickej kavitácie spôsobuje oscilácia ultrazvukovej sondy dodatočné rozprúdenie a miešanie kvapaliny, čím podporuje prenos hmoty a/alebo odplyňovanie.
3. Prenikanie: Zvukové vlny pri 20kHz majú relatívne veľkú vlnovú dĺžku, čo im umožňuje prenikať hlboko do kvapalín. Ultrazvuková kavitácia je lokalizovaný jav, ktorý sa vyskytuje v okolí ultrazvukovej sondy. S rastúcou vzdialenosťou od sondy intenzita kavitácie klesá. Sonikácia pri 20kHz však dokáže účinne spracovať väčšie objemy kvapaliny v porovnaní so sonikáciou pri vyšších frekvenciách, ktorá má kratšie vlnové dĺžky a môže mať obmedzenejšiu hĺbku prieniku.
4. Nízka spotreba energie: Sonikáciu možno vykonávať s relatívne nízkou spotrebou energie v porovnaní s inými metódami spracovania, ako je vysokotlaková homogenizácia alebo mechanické miešanie. Vďaka tomu je energeticky účinnejšou a nákladovo efektívnejšou metódou spracovania kvapalín.
5. Lineárna škálovateľnosť: Ultrazvukové procesy možno škálovať úplne lineárne na väčšie alebo menšie objemy. Vďaka tomu je prispôsobovanie procesov vo výrobe spoľahlivé, pretože kvalitu produktu možno nepretržite udržiavať na stabilnej úrovni.
6. Vsádzkové a kontinuálne prietokové spracovanie: Ultrazvukové spracovanie možno vykonávať vo vsádzkach alebo ako kontinuálne prietokové procesy. Pri sonikácii vsádzok sa ultrazvuková sonda vkladá do otvorenej nádoby alebo uzavretého vsádzkového reaktora. Pri sonikácii kontinuálneho toku sa inštaluje ultrazvuková prietoková cela. Kvapalné médium prechádza popri sonotróde (ultrazvukovo kmitajúcej tyči) pri jedinom prechode alebo pri recirkulácii a je veľmi rovnomerne a účinne vystavené pôsobeniu ultrazvukových vĺn.

Celkovo intenzívne kavitačné sily, nízka spotreba energie a škálovateľnosť procesu robia z nízkofrekvenčnej sonikácie s vysokým výkonom účinnú metódu spracovania kvapalín.

Princíp fungovania a využitie ultrazvukového spracovania

Ultrazvukové spracovanie je komerčná technológia spracovania, ktorú mnohé priemyselné odvetvia zaviedli do veľkovýroby. Vysoká spoľahlivosť a škálovateľnosť, ako aj nízke náklady na údržbu a vysoká energetická účinnosť robia z ultrazvukových procesorov dobrú alternatívu k tradičným zariadeniam na spracovanie kvapalín. Ultrazvuk ponúka aj ďalšie zaujímavé možnosti: kavitácia – základný účinok ultrazvuku – prináša jedinečné výsledky v biologických, chemických a fyzikálnych procesoch. Napríklad ultrazvukovou dispergáciou a emulgáciou možno ľahko vytvárať stabilné formulácie s časticami či kvapôčkami nanometrových rozmerov. Aj v oblasti extrakcie rastlinných látok je ultrazvuk netepelnou technikou na izoláciu bioaktívnych zlúčenín.

Ultrazvukové miešanie je založené na akustickej kavitácii a jej hydrodynamických šmykových silách.

Zatiaľ čo ultrazvuk s nízkou intenzitou alebo vysokou frekvenciou sa používa najmä na analýzu, nedeštruktívne skúšanie a zobrazovanie, ultrazvuk s vysokou intenzitou sa používa na spracovanie kvapalín a pást, pri ktorom sa intenzívne ultrazvukové vlny využívajú na miešanie, emulgovanie, dispergovanie a deaglomeráciu, dezintegráciu buniek alebo deaktiváciu enzýmov. Pri sonikácii kvapalín s vysokou intenzitou sa zvukové vlny šíria kvapalným médiom. Tým vznikajú striedavé cykly vysokého tlaku (stlačenia) a nízkeho tlaku (zriedenia), ktorých rýchlosť opakovania závisí 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, počas vysokotlakového cyklu prudko skolabujú. Tento jav sa nazýva kavitácia. Počas implózie sa lokálne dosahujú veľmi vysoké teploty (približne 5 000K) a tlaky (približne 2 000atm). Implózia kavitačnej bubliny vedie aj k vzniku prúdov kvapaliny s rýchlosťou až 280 metrov za sekundu.

Ultrazvuková kavitácia v kvapalinách môže spôsobiť rýchle a úplné odplynenie; iniciovať rôzne chemické reakcie tvorbou voľných chemických iónov (radikálov); urýchliť chemické reakcie uľahčením miešania reaktantov; zintenzívniť polymerizačné a depolymerizačné reakcie dispergovaním agregátov alebo trvalým rozrušením chemických väzieb v polymérnych reťazcoch; zvýšiť rýchlosť emulgovania; zvýšiť rýchlosť difúzie; vytvárať vysoko koncentrované emulzie alebo rovnomerné disperzie materiálov s mikrometrovými alebo nanometrovými rozmermi; podporiť extrakciu látok, ako sú enzýmy, zo živočíšnych, rastlinných, kvasinkových alebo bakteriálnych buniek; odstrániť vírusy z infikovaného tkaniva; a napokon erodovať a rozrušovať častice náchylné na takéto pôsobenie vrátane mikroorganizmov. (porov. Kuldiloke 2002)

Ultrazvuk s vysokou intenzitou vyvoláva v kvapalinách s nízkou viskozitou prudký pohyb, ktorý možno využiť na dispergovanie materiálov v kvapalinách. (porov. Ensminger, 1988) Na rozhraniach kvapalina/pevná látka alebo plyn/pevná látka môže asymetrická implózia kavitačných bublín spôsobiť extrémne turbulencie, ktoré zmenšujú difúznu medznú vrstvu, zvyšujú konvekčný prenos hmoty a výrazne urýchľujú difúziu v systémoch, v ktorých bežné miešanie nie je možné. (porov. Nyborg, 1965)

Literatúra

• 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).