Ultrazvok: aplikacije in procesi

Ultrasonication je mehanska metoda obdelave, ki ustvarja akustično kavitacijo in zelo intenzivne fizikalne sile. Zato se ultrazvok uporablja za številne aplikacije, kot so mešanje, homogenizacija, mletje, disperzija, emulgiranje, ekstrakcija, razplinjevanje in sono-kemijske reakcije.
Spodaj boste izvedeli vse o tipičnih ultrazvočnih aplikacijah in procesih.

ultrazvočna homogenizacija

Ultrazvočni homogenizatorji zmanjšujejo majhne delce v tekočini, da izboljšajo enakomernost in disperzijsko stabilnost. Delci (disperzna faza) so lahko trdne snovi ali tekoče kapljice, suspendirane v tekoči fazi. Ultrazvočna homogenizacija je zelo učinkovita za zmanjšanje mehkih in trdih delcev. Hielscher proizvaja ultrazvočne naprave za homogenizacijo kateregakoli volumna tekočine in za serijsko ali inline obdelavo. Laboratorijske ultrazvočne naprave se lahko uporabljajo za prostornine od 1,5 ml do približno 4 l. Ultrazvočne industrijske naprave lahko obdelujejo serije od 0,5 do približno 2000 l ali pretok od 0,1 l do 20 kubičnih metrov na uro pri razvoju procesa in komercialni proizvodnji.
Kliknite tukaj, če želite prebrati več o ultrazvočni homogenizaciji!

Ultrazvočna disperzija in deaglomeracija

Disperzija in deaglomeracija trdnih snovi v tekočine je pomembna uporaba ultrazvočnih sond. Ultrazvočna / akustična kavitacija ustvarja visoke strižne sile, ki razbijejo aglomerate delcev v posamezne, posamezne razpršene delce. Mešanje praškov v tekočine je pogost korak pri oblikovanju različnih izdelkov, kot so barve, laki, kozmetični izdelki, hrana in pijača ali mediji za poliranje. Posamezne delce držijo skupaj privlačne sile različne fizikalne in kemične narave, vključno z van-der-Waalsovimi silami in površinsko napetostjo tekočine. Ultrasonication premaga te privlačne sile, da bi deaglomerirali in razpršili delce v tekočih medijih. Za razprševanje in deaglomeracijo praškov v tekočinah je ultrazvočna obdelava visoke intenzivnosti zanimiva alternativa visokotlačnim homogenizatorjem, visokotlačnim mešalnikom, mlinom kroglic ali rotor-stator-mešalnikom.
Kliknite tukaj, če želite prebrati več o ultrazvočni disperziji in deaglomeraciji!

Ultrazvočna emulzifikacija

Široka paleta vmesnih in potrošniških izdelkov, kot so kozmetika in losjoni za kožo, farmacevtska mazila, laki, barve in maziva ter goriva, v celoti ali delno temeljijo na emulzijah. Emulzije so disperzije dveh ali več tekočih faz, ki se ne mešajo. Zelo intenziven ultrazvok zagotavlja dovolj intenzivnega striženja, da razprši tekočo fazo (dispergirana faza) v majhnih kapljicah v drugi fazi (neprekinjena faza). V disperzijskem območju implodirajoči kavitacijski mehurčki povzročajo intenzivne udarne valove v okoliški tekočini in povzročijo nastanek tekočih curkov visoke hitrosti tekočine (visoko striženje). Ultrasonication je mogoče natančno prilagoditi ciljni velikosti emulzije, kar omogoča zanesljivo proizvodnjo mikro-emulzij in nano-emulzij.
Kliknite tukaj, če želite prebrati več o ultrazvočni emulzifikaciji!

Ultrazvočno mokro mletje in brušenje

Ultrasonication je učinkovito sredstvo za mokro mletje in mikro mletje delcev. Zlasti za proizvodnjo superfinih gnojevk ima ultrazvok številne prednosti. Boljši je od tradicionalne opreme za zmanjšanje velikosti, kot so: koloidni mlini (npr. kroglični mlini, kroglični mlini), diskasti mlini ali reaktivni mlini. Ultrasonication lahko obdeluje suspenzijo z visoko koncentracijo in visoko viskoznostjo - s čimer se zmanjša prostornina za obdelavo. Seveda je ultrazvočno rezkanje primerno za obdelavo materialov velikosti mikronov in nano, kot so keramika, pigmenti, barijev sulfat, kalcijev karbonat ali kovinski oksidi. Še posebej, ko gre za nanomateriale, ultrazvočna razgradnja odlikuje zmogljivost, saj njene zelo vplivne strižne sile ustvarjajo enakomerno majhne nanodelce.
Kliknite tukaj, če želite prebrati več o ultrazvočnem mokrem mletju in mikro brušenju!

TiO2 sušen z razprševanjem pred in po ultrazvočnem rezkanju

Ultrazvočna razgradnja celic in liza

Ultrazvočna obdelava lahko razgradi vlaknasti, celulozni material v drobne delce in razbije stene celične strukture. To sprosti več znotrajceličnega materiala, kot je škrob ali sladkor v tekočino. Ta učinek se lahko uporablja za fermentacijo, prebavo in druge procese pretvorbe organskih snovi. Po mletju in mletju ultrazvočna obdelava naredi več znotrajceličnega materiala, npr. škroba, kot tudi ostankov celične stene, ki so na voljo encimom, ki pretvarjajo škrob v sladkorje. Prav tako poveča površino, ki je izpostavljena encimom med utekočinjenjem ali saharifikacijo. To običajno poveča hitrost in donos fermentacije kvasa in drugih procesov pretvorbe, npr. za povečanje proizvodnje etanola iz biomase.
Kliknite tukaj, če želite prebrati več o ultrazvočnem razpadu celičnih struktur!

Ultrazvočna ekstrakcija rastlin

Ekstrakcija bioaktivnih spojin, shranjenih v celicah in subceličnih delcih, je široko uporabljena uporaba ultrazvoka visoke intenzivnosti. Ultrazvočna ekstrakcija se uporablja za izolacijo sekundarnih metabolitov (npr. polifenolov), polisaharidov, beljakovin, eteričnih olj in drugih aktivnih sestavin iz celičnega matriksa rastlin in gliv. Primerna za ekstrakcijo organskih spojin z vodo in topilom, ultrazvočna razbijanje znatno izboljša pridelek rastlin, ki jih vsebujejo rastline ali semena. Ultrazvočna ekstrakcija se uporablja za proizvodnjo farmacevtskih izdelkov, nutracevtikov / prehranskih dopolnil, dišav in bioloških dodatkov. Ultrazvok je zelena tehnika ekstrakcije, ki se uporablja tudi za ekstrakcijo bioaktivnih sestavin v biorafinerijah, npr. sproščanje dragocenih spojin iz neuporabljenih tokov stranskih proizvodov, ki nastanejo v industrijskih procesih. Ultrasonication je zelo učinkovita tehnologija za botanično ekstrakcijo v laboratorijskem in proizvodnem obsegu.
Kliknite tukaj za več informacij o ultrazvočni ekstrakciji!

Sonokemična uporaba ultrazvoka

Sonokemija je uporaba ultrazvoka za kemijske reakcije in procese. Mehanizem, ki povzroča sonokemične učinke v tekočinah, je pojav akustične kavitacije. Sonokemični učinki na kemijske reakcije in procese vključujejo povečanje hitrosti ali izhodne moči reakcije, učinkovitejšo porabo energije, izboljšanje učinkovitosti katalizatorjev za prenos faze, aktivacijo kovin in trdnih snovi ali povečanje reaktivnosti reagentov ali katalizatorjev.
Kliknite tukaj, če želite prebrati več o sonokemičnih učinkih ultrazvoka!

Ultrazvočna transesterifikacija olja v biodizel

Ultrasonication poveča hitrost kemične reakcije in donos transesterifikacije rastlinskih olj in živalskih maščob v biodizel. To omogoča spremembo proizvodnje iz serijske obdelave v neprekinjeno procesno obdelavo ter zmanjšuje investicijske in operativne stroške. Ena od glavnih prednosti ultrazvočne proizvodnje biodizla je uporaba odpadnih olj, kot so izrabljena olja za kuhanje in drugi viri olja slabe kakovosti. Ultrazvočna transesterifikacija lahko pretvori celo nizko kakovostne surovine v visokokakovostni biodizel (metil ester maščobnih kislin / FAME). Proizvodnja biodizla iz rastlinskih olj ali živalskih maščob vključuje bazno katalizirano transesterifikacijo maščobnih kislin z metanolom ali etanolom, da se dobijo ustrezni metilni estri ali etilni estri. Ultrasonication lahko doseže donos biodizla, ki presega 99%. Ultrazvok bistveno skrajša čas obdelave in čas ločevanja.
Kliknite tukaj, če želite prebrati več o ultrazvočno podprti transesterifikaciji olja v biodizel!

Ultrazvočno razplinjevanje in prezračevanje tekočin

Razplinjevanje tekočin je še ena pomembna uporaba ultrazvočnih sond. Ultrazvočne vibracije in kavitacija povzročajo koalescenco raztopljenih plinov v tekočini. Ko se minutni plinski mehurčki združijo, tvorijo večje mehurčke, ki hitro plavajo na zgornjo površino tekočine, od tam jih je mogoče odstraniti. Tako lahko ultrazvočno razplinjevanje in odzračevanje zmanjšata raven raztopljenega plina pod naravno raven ravnovesja.
Kliknite tukaj, če želite prebrati več o ultrazvočnem razplinjevanju tekočin!

Ultrazvočno čiščenje žic, kablov in trakov

Ultrazvočno čiščenje je okolju prijazna alternativa za čiščenje neprekinjenih materialov, kot so žice in kabli, trakovi ali cevi. Učinek močne ultrazvočne kavitacije odstrani ostanke mazanja, kot so olje ali maščobe, mila, stearati ali prah s površine materiala. Hielscher Ultrasonics ponuja različne ultrazvočne sisteme za inline čiščenje neprekinjenih profilov.
Kliknite tukaj za več informacij o ultrazvočnem čiščenju neprekinjenih profilov!

Zakaj je ultrazvočna razbijanje vrhunska metoda obdelave?

Sonication ali uporaba visokofrekvenčnih zvočnih valov za mešanje tekočin je učinkovita metoda obdelave iz različnih razlogov. Tukaj je nekaj razlogov, zakaj je ultrazvočno razbijanje pri visoki intenzivnosti in nizki frekvenci približno 20 kHz še posebej vplivno in ugodno za predelavo tekočin in gnojevk:

1. Kavitacija: Eden glavnih mehanizmov ultrazvočnega razbijanja je ustvarjanje in propadanje drobnih mehurčkov, pojav, imenovan kavitacija. Pri 20 kHz so zvočni valovi na ravno pravi frekvenci za učinkovito ustvarjanje in rušenje mehurčkov. Propad teh mehurčkov povzroči visokoenergijske udarne valove, ki lahko razgradijo delce in motijo celice v tekočini, ki se ultrazvočno razbija.
2. Nihanje in vibracije: Poleg ustvarjene akustične kavitacije nihanje ultrazvočne sonde ustvarja dodatno mešanje in mešanje v tekočini, s čimer spodbuja prenos mase in / ali razplinjevanje.
3. Prodor: Zvočni valovi pri 20kHz imajo relativno dolgo valovno dolžino, kar jim omogoča, da prodrejo globoko v tekočine. Ultrazvočna kavitacija je lokalizacijski pojav, ki se pojavlja v okolici ultrazvočne sonde. Z naraščajočo razdaljo do sonde se intenzivnost kavitacije zmanjšuje. Vendar pa lahko ultrazvočno razbijanje pri 20kHz učinkovito obdela večje količine tekočine v primerjavi z višjo frekvenco, ki ima krajše valovne dolžine in je lahko bolj omejena v globini prodora.
4. Nizka poraba energije: Ultrazvočno razbijanje je mogoče doseči z relativno nizko porabo energije v primerjavi z drugimi metodami obdelave, kot sta visokotlačna homogenizacija ali mehansko mešanje. Zaradi tega je energetsko učinkovitejša in stroškovno učinkovitejša metoda za predelavo tekočin.
5. Linearna razširljivost: Ultrazvočni procesi se lahko popolnoma linearno razširijo na večje ali manjše količine. Zaradi tega so prilagoditve procesov v proizvodnji zanesljive, saj je kakovost izdelka lahko stalno stabilna.
6. Paketni in vrstni tok: Ultrasonication se lahko izvaja kot šaržni ali kot neprekinjeni inline procesi. Za ultrazvočno razbijanje serij se ultrazvočna sonda vstavi v odprto posodo ali zaprti šaržni reaktor. Za ultrazvočno razbijanje neprekinjenega pretoka je nameščena ultrazvočna pretočna celica. Tekoči medij prehaja skozi sonotrodo (ultrazvočno vibrirajočo palico) v enem prehodu ali recirkulaciji in je zelo enakomeren in učinkovit izpostavljen ultrazvočnim valovom.

Na splošno intenzivne sile kavitacije, nizka poraba energije in razširljivost procesa naredijo nizkofrekvenčno ultrazvočno razbijanje z visoko močjo učinkovito metodo za obdelavo tekočin.

Načelo delovanja in uporaba ultrazvočne obdelave

Ultrasonication je komercialna tehnologija obdelave, ki so jo sprejele številne industrije za obsežno proizvodnjo. Zaradi visoke zanesljivosti in skalabilnosti ter nizkih stroškov vzdrževanja in visoke energetske učinkovitosti so ultrazvočni procesorji dobra alternativa za tradicionalno opremo za obdelavo tekočin. Ultrazvok ponuja dodatne vznemirljive priložnosti: kavitacija - osnovni ultrazvočni učinek - daje edinstvene rezultate v bioloških, kemijskih in fizikalnih procesih. Na primer, ultrazvočna disperzija in emulgiranje zlahka proizvajata stabilne nano-velike formulacije. Tudi na področju botanične ekstrakcije je ultrazvok netoplotna tehnika za izolacijo bioaktivnih spojin.

Medtem ko se nizkointenzivni ali visokofrekvenčni ultrazvok uporablja predvsem za analizo, neporušitveno testiranje in slikanje, se ultrazvok visoke intenzivnosti uporablja za obdelavo tekočin in past, kjer se intenzivni ultrazvočni valovi uporabljajo za mešanje, emulgiranje, razprševanje in deaglomeracijo, razpad celic ali deaktivacijo encimov. Pri ultrazvočnih tekočinah pri visokih intenzivnostih se zvočni valovi širijo skozi tekoče medije. To ima za posledico izmenične visokotlačne (kompresijske) in nizkotlačne (redčene) cikle, s hitrostmi, ki so odvisne od frekvence. Med nizkotlačnim ciklom ultrazvočni valovi visoke intenzivnosti ustvarjajo majhne vakuumske mehurčke ali praznine v tekočini. Ko mehurčki dosežejo prostornino, pri kateri ne morejo več absorbirati energije, se med ciklom visokega tlaka silovito zrušijo. Ta pojav se imenuje kavitacija. Med implozijo se lokalno dosežejo zelo visoke temperature (približno 5.000 K) in tlaki (približno 2.000 atm). Implozija kavitacijskega mehurčka povzroči tudi tekoče curke s hitrostjo do 280 metrov na sekundo.

Ultrazvočna kavitacija v tekočinah lahko povzroči hitro in popolno razplinjevanje; sprožijo različne kemijske reakcije z ustvarjanjem prostih kemičnih ionov (radikalov); pospešiti kemične reakcije z olajšanjem mešanja reaktantov; izboljšati reakcije polimerizacije in depolimerizacije z razprševanjem agregatov ali s trajnim razbijanjem kemičnih vezi v polimernih verigah; povečati stopnjo emulgiranja; izboljšati hitrost difuzije; proizvajajo visoko koncentrirane emulzije ali enakomerne disperzije materialov velikosti mikronov ali nanovelikosti; pomagati pri ekstrakciji snovi, kot so encimi iz živalskih, rastlinskih, kvasovkových ali bakterijskih celic; odstraniti viruse iz okuženega tkiva; in končno, erodirajo in razgrajujejo občutljive delce, vključno z mikroorganizmi. (prim. Kuldiloke 2002)

Ultrazvok visoke intenzivnosti povzroča silovito mešanje v tekočinah z nizko viskoznostjo, ki se lahko uporablja za razprševanje materialov v tekočinah. (prim. Ensminger, 1988) Na vmesnikih tekočina/trdna snov ali plin/trdna snov lahko asimetrična implozija kavitacijskih mehurčkov povzroči ekstremne turbulence, ki zmanjšajo mejni sloj difuzije, povečajo prenos konvekcijske mase in znatno pospešijo difuzijo v sistemih, kjer običajno mešanje ni mogoče. (prim. Nyborg, 1965)

Književnost