Ultrazvuk: Aplikácie a procesy
Ultrazvuk je metóda mechanického spracovania, ktorá vytvára akustickú kavitáciu a vysoko intenzívne fyzikálne sily. Preto sa ultrazvuk používa na množstvo aplikácií, ako je miešanie, homogenizácia, mletie, disperzia, emulgácia, extrakcia, odplyňovanie a sonochemické reakcie.
Nižšie sa dozviete všetko o typických ultrazvukových aplikáciách a procesoch.
ultrazvuková homogenizácia
Ultrazvukové homogenizátory redukujú malé častice v kvapaline, aby sa zlepšila rovnomernosť a stabilita disperzie. Častice (disperzná fáza) môžu byť pevné 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. 4 l. Ultrazvukové priemyselné zariadenia dokážu pri vývoji procesov a komerčnej výrobe spracovávať dávky od 0,5 do cca. 2000 l alebo prietoky od 0,1 l do 20 metrov kubických za hodinu.
Kliknite sem a prečítajte si viac o ultrazvukovej homogenizácii!
Ultrazvuková dispergácia a deaglomerácia
Disperzia a deaglomerácia pevných látok na kvapaliny je dôležitou aplikáciou ultrazvukových prístrojov sondového typu. Ultrazvuková / akustická kavitácia vytvára vysoké šmykové sily, ktoré rozbíjajú aglomeráty častíc na jednotlivé, jednotlivé rozptýlené častice. Miešanie práškov do tekutín je bežným krokom pri formulácii rôznych produktov, ako sú farby, laky, kozmetické výrobky, potraviny a nápoje alebo leštiace médiá. Jednotlivé častice sú držané pohromade príťažlivými silami rôznej fyzikálnej a chemickej povahy, vrátane van-der-Waalsových síl a povrchového napätia kvapaliny. Ultrazvuk prekonáva tieto príťažlivé sily, aby deaglomeroval a rozptýlil častice v kvapalnom médiu. Na dispergáciu a deaglomeráciu práškov v kvapalinách je ultrazvuk s vysokou intenzitou zaujímavou alternatívou k vysokotlakovým homogenizátorom, vysokošmykovým miešačkám, guľôčkovým mlynom alebo rotorovým statorovým miešačom.
Kliknite sem a prečítajte si viac o ultrazvukovej dispergácii a deaglomerácii!
Ultrazvuková emulgácia
Široká škála medziproduktov a spotrebných produktov, ako sú kozmetika a pleťové vody, farmaceutické masti, laky, farby a mazivá a palivá, je úplne alebo čiastočne založená na emulziách. Emulzie sú disperzie dvoch alebo viacerých nemiešateľných kvapalných fáz. Vysoko intenzívny ultrazvuk dodáva dostatok intenzívneho strihu na rozptýlenie kvapalnej fázy (dispergovaná fáza) v malých kvapôčkach v druhej fáze (kontinuálna fáza). V dispergačnej zóne spôsobujú implodujúce kavitačné bubliny intenzívne rázové vlny v okolitej kvapaline a vedú k tvorbe kvapalných prúdov s vysokou rýchlosťou kvapaliny (vysoký strih). Ultrazvuk je možné presne prispôsobiť cieľovej veľkosti emulzie, čo umožňuje spoľahlivú výrobu mikroemulzií a nanoemulzií.
Kliknite sem a prečítajte si viac o ultrazvukovej emulgácii!
Ultrazvukové mokré frézovanie a brúsenie
Ultrazvuk je účinný prostriedok na mokré mletie a mikromletie častíc. Najmä pri výrobe superjemných suspenzií má ultrazvuk mnoho výhod. Je lepší ako tradičné zariadenia na zmenšovanie veľkosti, ako sú: koloidné mlyny (napr. guľové mlyny, guľôčkové mlyny), diskové mlyny alebo prúdové mlyny. Ultrazvukom je možné spracovať suspenzie s vysokou koncentráciou a vysokou viskozitou, čím sa zníži objem, ktorý sa má spracovať. Ultrazvukové frézovanie je samozrejme vhodné na spracovanie materiálov veľkosti mikrónov a nanoveľkosti, ako je keramika, pigmenty, síran bárnatý, uhličitan vápenatý alebo oxidy kovov. Najmä pokiaľ ide o nanomateriály, ultrazvuk vyniká výkonom, pretože jeho vysoko pôsobiace šmykové sily vytvárajú rovnomerne malé nanočastice.
Kliknite sem a prečítajte si viac o ultrazvukovom mokrom frézovaní a mikrobrúsení!
Ultrazvukový rozpad a lýza buniek
Ultrazvukové ošetrenie môže rozložiť vláknitý celulózový materiál na jemné častice a rozbiť steny bunkovej štruktúry. Tým sa do kvapaliny uvoľní viac vnútrobunkového materiálu, ako je škrob alebo cukor. Tento efekt sa môže použiť na fermentáciu, trávenie a iné procesy premeny organických látok. Po mletí a mletí ultrazvukom sa enzýmom, ktoré premieňajú škrob na cukry, sprístupňuje viac vnútrobunkového materiálu, napr. škrobu, ako aj zvyškov bunkovej steny. Zväčšuje tiež povrchovú plochu vystavenú enzýmom počas skvapalňovania alebo cukornatenia. To zvyčajne zvyšuje rýchlosť a výťažnosť kvasinkovej fermentácie a iných procesov konverzie, napr. na zvýšenie výroby etanolu z biomasy.
Kliknite sem a prečítajte si viac o ultrazvukovom rozpade bunkových štruktúr!
ultrazvuková extrakcia rastlinných látok
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, bielkovín, éterických olejov a ďalších účinných látok z bunkovej matrice rastlín a húb. Sonikácia je vhodná na extrakciu organických zlúčenín vodou a rozpúšťadlom, výrazne zlepšuje výnos rastlinných látok obsiahnutých v rastlinách alebo semenách. Ultrazvuková extrakcia sa používa na výrobu liečiv, nutraceutík / výživových doplnkov, vôní a biologických prísad. Ultrazvuk je ekologická extrakčná technika, ktorá sa používa aj na extrakciu bioaktívnych zložiek v biorafinériách, napr. uvoľňuje cenné zlúčeniny z nevyužitých vedľajších produktov vznikajúcich v priemyselných procesoch. Ultrazvuk je vysoko účinná technológia na botanickú extrakciu v laboratórnom a výrobnom meradle.
Kliknite sem pre viac informácií o ultrazvukovej extrakcii!
Sonochemická aplikácia ultrazvuku
Sonochémia je aplikácia ultrazvuku na chemické reakcie a procesy. Mechanizmus spôsobujúci sonochemické účinky v kvapalinách je fenomén akustickej kavitácie. Sonochemické účinky na chemické reakcie a procesy zahŕňajú zvýšenie reakčnej rýchlosti alebo výkonu, efektívnejšie využitie energie, zlepšenie výkonu katalyzátorov fázového prenosu, aktiváciu kovov a pevných látok alebo zvýšenie reaktivity činidiel alebo katalyzátorov.
Kliknite sem a prečítajte si viac o sonochemických účinkoch ultrazvuku!
Ultrazvuková transesterifikácia oleja na bionaftu
Ultrazvuk zvyšuje rýchlosť chemickej reakcie a výťažok transesterifikácie rastlinných olejov a živočíšnych tukov na bionaftu. To umožňuje zmenu výroby zo sériového spracovania na kontinuálne prietokové spracovanie a znižuje investičné a prevádzkové náklady. Jednou z hlavných výhod ultrazvukovej výroby bionafty je použitie odpadových olejov, ako sú použité kuchynské oleje a iné nekvalitné zdroje oleja. Ultrazvuková transesterifikácia dokáže premeniť aj nekvalitnú surovinu na vysokokvalitnú bionaftu (metylester mastných kyselín / FAME). Výroba bionafty z rastlinných olejov alebo živočíšnych tukov zahŕňa bázou katalyzovanú transesterifikáciu mastných kyselín metanolom alebo etanolom za vzniku zodpovedajúcich metylesterov alebo etylesterov. Ultrazvukom sa môže dosiahnuť výťažok bionafty vyšší ako 99 %. Ultrazvuk výrazne skracuje čas spracovania a čas separácie.
Kliknite sem a prečítajte si viac o ultrazvukom asistovanej transesterifikácii oleja na bionaftu!
Ultrazvukové odplyňovanie a odvzdušňovanie kvapalín
Odplyňovanie kvapalín je ďalšou dôležitou aplikáciou ultrazvukových prístrojov sondového typu. Ultrazvukové vibrácie a kavitácia spôsobujú koalescenciu rozpustených plynov v kvapaline. Keď sa drobné bubliny plynu spoja, vytvárajú väčšie bubliny, ktoré rýchlo plávajú na horný povrch kvapaliny, odtiaľ sa dajú odstrániť. Ultrazvukové odplyňovanie a odvzdušňovanie teda môže znížiť hladinu rozpusteného plynu pod úroveň prirodzenej rovnováhy.
Kliknite sem a prečítajte si viac o ultrazvukovom odplyňovaní kvapalín!
Ultrazvukové čistenie drôtov, káblov a pásov
Ultrazvukové čistenie je ekologickou alternatívou na čistenie súvislých materiálov, ako sú drôty a káble, pásky alebo rúrky. Účinok výkonnej ultrazvukovej kavitácie odstraňuje z povrchu materiálu zvyšky maziva, ako je olej alebo mastnota, mydlá, stearáty alebo prach. Spoločnosť Hielscher Ultrasonics ponúka rôzne ultrazvukové systémy na inline čistenie kontinuálnych profilov.
Kliknite sem pre viac informácií o ultrazvukovom čistení kontinuálnych profilov!
Kontaktujte nás! / Opýtajte sa nás!
Čo robí sonikáciu vynikajúcou metódou spracovania?
Sonikacia alebo použitie vysokofrekvenčných zvukových vĺn na miešanie tekutín je efektívna metóda spracovania z rôznych dôvodov. Tu je niekoľko dôvodov, prečo je sonikacia pri vysokej intenzite a nízkej frekvencii cca. 20 kHz obzvlášť účinná a výhodná pri spracovaní kvapalín a suspenzií:
- Kavitácie: Jedným z hlavných mechanizmov sonikácie je vytváranie a kolaps malých bublín, jav nazývaný kavitácia. Pri 20 kHz sú zvukové vlny na správnej frekvencii na efektívne vytváranie a zrútenie bublín. Kolaps týchto bublín vytvára vysokoenergetické rázové vlny, ktoré môžu rozložiť častice a narušiť bunky v sonikovanej kvapaline.
- Oscilácia a vibrácie: Okrem generovanej akustické kavitácie vytvára oscilácia ultrazvukovej sondy ďalšie miešanie a miešanie v kvapaline, čím podporuje prenos hmoty a/alebo odplyňovanie.
- Prenikanie: Zvukové vlny pri 20 kHz majú relatívne dlhú vlnovú dĺžku, čo im umožňuje preniknúť hlboko do kvapalín. Ultrazvuková kavitácia je lokalizačný jav, ktorý sa objavuje v okolí ultrazvukovej sondy. So zvyšujúcou sa vzdialenosťou od sondy sa intenzita kavitácie znižuje. Sonikacia pri 20 kHz však môže efektívne liečiť väčšie objemy kvapaliny v porovnaní s vysokofrekvenčnou sonikaciou, ktorá má kratšie vlnové dĺžky a môže byť obmedzenejšia v hĺbke prieniku.
- 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. Vďaka tomu je energeticky efektívnejšou a nákladovo efektívnejšou metódou spracovania kvapalín.
- Lineárna škálovateľnosť: Ultrazvukové procesy je možné škálovať úplne lineárne na väčšie alebo menšie objemy. Vďaka tomu sú prispôsobenia procesov vo výrobe spoľahlivé, pretože kvalita produktu môže byť udržiavaná nepretržite stabilná.
- Dávkový a inline tok: Ultrazvuk sa môže vykonávať ako dávka alebo ako kontinuálne inline procesy. Na sonikáciu šarží sa ultrazvuková sonda vloží do otvorenej nádoby alebo uzavretého dávkového reaktora. Na sonikáciu nepretržitého prietokového prúdu je nainštalovaná ultrazvuková prietoková bunka. Kvapalné médium prechádza sonotródou (ultrazvukovo vibračnou tyčinkou) v jednom prechode alebo recirkulácii a je vysoko rovnomerné a účinné vystavené ultrazvukovým vlnám.
Celkovo intenzívne sily kavitácie, nízka spotreba energie a škálovateľnosť procesu robia z nízkofrekvenčnej a vysokovýkonnej sonikácie efektívnu metódu spracovania kvapalín.
Princíp činnosti a použitie ultrazvukového spracovania
Ultrazvuk je komerčná technológia spracovania, ktorú prijali mnohé priemyselné odvetvia na výrobu vo veľkom meradle. Vysoká spoľahlivosť a škálovateľnosť, ako aj nízke náklady na údržbu a vysoká energetická účinnosť robia z ultrazvukových procesorov dobrú alternatívu 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 vytvárajú stabilné formulácie nanoveľkosti. 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, ultrazvuk s vysokou intenzitou 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 sonikovaní tekutín pri vysokej intenzite sa zvukové vlny šíria cez kvapalné médium. Výsledkom sú striedavé vysokotlakové (kompresné) a nízkotlakové (zriedené) cykly s rýchlosťami v závislosti od frekvencie. Počas nízkotlakového cyklu vytvárajú ultrazvukové vlny s vysokou intenzitou malé vákuové bubliny alebo dutiny v kvapaline. Keď bubliny dosiahnu objem, pri ktorom už nemôžu absorbovať energiu, prudko sa zrútia počas vysokotlakového cyklu. Tento jav sa nazýva kavitácia. Počas implózie sa lokálne dosahujú veľmi vysoké teploty (cca 5 000 K) a tlaky (cca 2 000 atm). Implózia kavitačnej bubliny má za následok aj kvapalné prúdy s rýchlosťou až 280 metrov za sekundu.
Ultrazvuková kavitácia v kvapalinách môže spôsobiť rýchle a úplné odplynenie; iniciovať rôzne chemické reakcie vytváraním voľných chemických iónov (radikálov); urýchliť chemické reakcie uľahčením miešania reaktantov; zlepšiť polymerizačné a depolymerizačné reakcie dispergovaním agregátov alebo trvalým rozbitím chemických väzieb v polymérnych reťazcoch; zvýšiť rýchlosť emulgácie; zlepšiť rýchlosť difúzie; produkovať vysoko koncentrované emulzie alebo rovnomerné disperzie materiálov veľkosti mikrónov alebo nanoveľkosti; pomáhať 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. (porovnaj Kuldiloke 2002)
Ultrazvuk s vysokou intenzitou vytvára prudké miešanie v kvapalinách s nízkou viskozitou, ktoré možno použiť na rozptýlenie materiálov v kvapalinách. (porovnaj Ensminger, 1988) Na rozhraní kvapalina/pevná látka alebo plyn/pevná látka môže asymetrická implózia kavitačných bublín spôsobiť extrémne turbulencie, ktoré znižujú difúznu hraničnú vrstvu, zvyšujú prenos konvekčnej hmoty a výrazne urýchľujú difúziu v systémoch, kde nie je možné bežné miešanie. (porovnaj 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).