Uporaba visokozmogljivega ultrazvoka z ultrazvočnimi rogovi

Ultrazvočni rogovi ali sonde se pogosto uporabljajo za številne postopke obdelave tekočin, vključno s homogenizacijo, dispergiranjem, mokrim mletjem, emulgiranjem, ekstrakcijo, dezintegracijo, raztapljanjem in odzračevanjem. Spoznajte osnove ultrazvočnih rogov, ultrazvočnih sond in njihove uporabe.

Ultrazvočni rog v primerjavi z ultrazvočno sondo

Izraza ultrazvočni rog in ultrazvočna sonda se pogosto uporabljata izmenično in označujeta ultrazvočno palico, ki prenaša ultrazvočne valove v tekočino. Drugi izrazi za ultrazvočno sondo so akustični rog, sonotroda, akustični valovod ali ultrazvočni prst. Vendar s tehničnega vidika obstaja razlika med ultrazvočnim rogom in ultrazvočno sondo.
Tako rog kot sonda označujeta dela tako imenovane ultrazvočne naprave s sondo. Ultrazvočni rog je kovinski del ultrazvočnega pretvornika, ki ga vzbujajo piezoelektrično ustvarjeni nihaji. Ultrazvočni rog niha z določeno frekvenco, npr. 20kHz, kar pomeni 20.000 nihajev na sekundo. Titan je prednostni material za izdelavo ultrazvočnih rogov zaradi svojih odličnih lastnosti prenosa zvoka, visoke odpornosti proti utrujanju in površinske trdote.

Ultrazvočna sonda se imenuje tudi sonotroda ali ultrazvočni prst. Gre za kovinsko palico, najpogosteje izdelano iz titana, ki je z navojem pritrjena na ultrazvočni rog. Ultrazvočna sonda je bistveni del ultrazvočnega procesorja, ki prenaša ultrazvočne valove v sonikirani medij. Ultrazvočne sonde / sonotrode so na voljo v različnih oblikah (npr. stožčaste, s konico, zožene ali v obliki Cascatrode). Čeprav je titan najpogosteje uporabljeni material za ultrazvočne sonde, so na voljo tudi sonotrode iz nerjavnega jekla, keramike, stekla in drugih materialov.

Ker sta ultrazvočni rog in sonda med sonikacijo stalno izpostavljena tlačnim ali nateznim obremenitvam, je izbira materiala za oba ključnega pomena. Visokokakovostna titanova zlitina (razred 5) velja za najbolj zanesljivo, trajno in učinkovito kovino za prenašanje obremenitev, dolgotrajno vzdrževanje visokih amplitud ter prenos akustičnih in mehanskih lastnosti.

Raztapljanje je pogosta uporaba ultrazvočne obdelave. Video prikazuje hitro raztapljanje sladkornih kristalov v vodi z napravo Hielscher UP200St.

Visokozmogljive ultrazvočne naprave večinoma delujejo v frekvenčnem območju 20–30kHz. Pri 20 kHz je ultrazvočna sonda običajno resonančna palica z dolžino polovice valovne dolžine, ki se neprestano razteza in krči 20.000-krat na sekundo. Gibanje pri raztezanju in krčenju se kot visokozmogljiv ultrazvok prenaša v procesni medij, tj. tekočino ali suspenzijo, za izvajanje postopkov, kot so

• ultrazvočno mešanje z visokim strigom
• ultrazvočno mokro mletje
• ultrazvočno dispergiranje nanodelcev
• ultrazvočno nanoemulgiranje
• ultrazvočna ekstrakcija
• ultrazvočna dezintegracija
• ultrazvočna razgradnja celic in liza
• ultrazvočno razplinjevanje in odzračevanje
• sonokemija (sonosinteza, sonokataliza)

Kako deluje visokozmogljivi ultrazvok? – Načelo delovanja akustične kavitacije

Za visokozmogljive ultrazvočne postopke, kot so homogenizacija, zmanjševanje velikosti delcev, dezintegracija ali priprava nanodisperzij, ultrazvočni pretvornik ustvarja ultrazvok visoke intenzivnosti in nizke frekvence ter ga prek ultrazvočnega roga in sonde (sonotrode) prenaša v tekočino. Za visokozmogljivi ultrazvok velja ultrazvok v območju 16–30kHz. Ultrazvočna sonda se razteza in krči npr. pri 20kHz ter tako v medij prenaša 20.000 nihajev na sekundo. Ko ultrazvočni valovi potujejo skozi tekočino, izmenjujoči se cikli visokega tlaka (stiskanje) / nizkega tlaka (redčenje / raztezanje) ustvarjajo drobne votline (vakuumske mehurčke), ki rastejo skozi več tlačnih ciklov. Med fazo stiskanja tekočine in mehurčkov je tlak pozitiven, medtem ko faza redčenja ustvarja vakuum (negativni tlak). Med cikli stiskanja in raztezanja votline v tekočini rastejo, dokler ne dosežejo velikosti, pri kateri ne morejo več absorbirati energije. Takrat silovito implodirajo. Implozija teh votlin povzroči različne visokoenergijske učinke, znane kot pojav akustične / ultrazvočne kavitacije. Za akustično kavitacijo so značilni številni visokoenergijski učinki, ki vplivajo na tekočine, sisteme trdno/tekoče in sisteme plin/tekoče. Območje z visoko gostoto energije ali kavitacijsko območje je znano kot tako imenovano območje vročih točk, v katerem je gostota energije največja v neposredni bližini ultrazvočne sonde in se zmanjšuje z naraščajočo oddaljenostjo od sonotrode. Glavne značilnosti ultrazvočne kavitacije vključujejo lokalno pojavljanje zelo visokih temperatur in tlakov ter njihovih razlik, turbulence in tokov tekočine. Med implozijo ultrazvočnih votlin v ultrazvočnih vročih točkah je mogoče izmeriti temperature do 5000 kelvinov, tlake do 200 atmosfer in curke tekočine s hitrostjo do 1000km/h. Te izjemne energijsko intenzivne razmere prispevajo k sonomehanskim in sonokemijskim učinkom, ki na različne načine intenzivirajo procese in kemijske reakcije.
Glavni učinki ultrazvočne obdelave na tekočine in suspenzije so naslednji:

• Visok strig: Visoke ultrazvočne strižne sile razgrajujejo tekočine in sisteme tekoče-trdno ter povzročajo intenzivno mešanje, homogenizacijo in prenos snovi.
• Udarci: Curki in tokovi tekočine, ki nastajajo zaradi ultrazvočne kavitacije, pospešujejo trdne delce v tekočinah, kar nato vodi do trkov med delci. Ko delci trčijo pri zelo visokih hitrostih, se erodirajo, razbijejo ter fino zmeljejo in dispergirajo, pogosto vse do nanovelikosti. Pri bioloških snoveh, kot so rastlinski materiali, visokohitrostni curki tekočine in izmenjujoči se tlačni cikli razgradijo celične stene ter sprostijo znotrajcelično vsebino. To omogoča zelo učinkovito ekstrakcijo bioaktivnih spojin in homogeno mešanje bioloških snovi.
• Mešanje: Ultrazvočna obdelava povzroča intenzivno turbulenco, strižne sile in mikrogibanje v tekočini ali suspenziji. Sonikacija tako vedno intenzivira prenos snovi in s tem pospešuje reakcije ter procese.

Ultrazvočni homogenizatorji in mešalniki z visokim strigom se uporabljajo v skoraj vseh predelovalnih panogah, ki obdelujejo tekočine ali suspenzije. Intenzivne ultrazvočne kavitacijske sile povzročajo intenzivno mešanje, strig, lomljenje delcev in prenos snovi. S tem se tekočine homogenizirajo, dispergirajo, emulgirajo, ekstrahirajo, raztapljajo in/ali se sprožijo kemijske reakcije. Na splošno je ultrazvočna obdelava metoda za intenziviranje procesov, ki povečuje izkoristek, izboljšuje stopnje pretvorbe in povečuje učinkovitost procesov.
Običajne industrijske uporabe ultrazvoka so razširjene po številnih vejah živilske in farmacevtske industrije, fine kemije, energetike in petrokemije, recikliranja, biorafinerij itd. ter vključujejo naslednje:

• ultrazvočna sinteza biodizla
• ultrazvočna homogenizacija sadnih sokov
• ultrazvočna proizvodnja cepiv
• ultrazvočno recikliranje Li-ion baterij
• ultrazvočna sinteza nanomaterialov
• ultrazvočno formuliranje farmacevtskih izdelkov
• ultrazvočno nanoemulgiranje CBD
• ultrazvočna ekstrakcija rastlinskih materialov
• ultrazvočna priprava vzorcev v laboratorijih
• ultrazvočno razplinjevanje tekočin
• ultrazvočno razžveplanje surove nafte
• in še veliko več …

Ultrazvočni rogovi in sonde za visokozmogljive postopke

Hielscher Ultrasonics je proizvajalec in distributer visokozmogljivih ultrazvočnih naprav z dolgoletnimi izkušnjami, ki se po vsem svetu uporabljajo za zahtevne postopke v številnih industrijskih panogah.
Z ultrazvočnimi procesorji vseh velikosti od 50 vatov do 16kW na napravo, sondami različnih velikosti in oblik ter ultrazvočnimi reaktorji različnih prostornin in geometrij ima Hielscher Ultrasonics ustrezno opremo za sestavo idealne ultrazvočne konfiguracije za vašo uporabo.
Spodnja tabela prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih naprav: