Ultrazvočna obdelava tekočin, suspenzij in kemijskih reakcij
Sonikacija je mehanska metoda obdelave, ki ustvarja akustično kavitacijo in zelo intenzivne fizikalne sile. Zato se ultrazvok uporablja za številne namene, kot so mešanje, homogenizacija, mletje, dispergiranje, emulgiranje, ekstrakcija, razplinjevanje in sonokemijske reakcije.
V spodnji preglednici poiščite svojo uporabo, kliknite povezavo in pojdite neposredno na postopek, ki vas zanima! Spoznajte, kako sonikacija izboljša postopek in njegovo učinkovitost.
| Uporaba | Najprimernejše za |
|---|---|
| Homogenizacija | Pripravo enakomernih suspenzij, emulzij in tekočih zmesi |
| Dispergiranje in deaglomeracija | Razbijanje aglomeratov delcev in enakomerno porazdelitev trdnih snovi v tekočinah |
| Emulgiranje | Pripravo stabilnih mikroemulzij in nanoemulzij z drobnimi kapljicami |
| Mokro mletje | Mikronizacijo in zmanjševanje delcev na nanometrske velikosti v tekočih suspenzijah |
| Razgradnja in liza celic | Razgradnjo celic sesalcev, rastlin, bakterij, alg in kvasovk kot korak priprave vzorcev pred analizo. |
| Ekstrakcija | Pridobivanje bioaktivnih spojin, olj, beljakovin in naravnih ekstraktov |
| Sonokemija | Pospeševanje kemijskih reakcij in izboljšanje učinkovitosti postopkov |
| Proizvodnja biodizla | Intenziviranje transesterifikacije in skrajševanje reakcijskih časov |
| Razplinjevanje in odstranjevanje pene | Odstranjevanje raztopljenih plinov in vnesenega zraka iz tekočin |
| Čiščenje žic in profilov v proizvodni liniji | Čiščenje žic, kablov, trakov, cevi in profilov v proizvodni liniji |
| Akustična kavitacija | Razumevanje fizikalnega načela ultrazvočne obdelave |
Imate v mislih določeno uporabo ali prostornino?
Za brezplačno svetovanje o postopku se obrnite na naše aplikacijske inženirje ali zaprosite za predstavitev.
UIP1000hdT je ultrazvočna naprava z močjo 1000 vatov za homogenizacijo, mletje in ekstrakcijo.
Ultrazvočna homogenizacija
Ultrazvočni homogenizatorji zmanjšujejo velikost majhnih delcev v tekočini ter tako izboljšujejo enakomernost in stabilnost disperzije. Delci (dispergirana faza) so lahko trdne snovi ali kapljice tekočine, suspendirane v tekoči fazi. Ultrazvočna homogenizacija je zelo učinkovita pri zmanjševanju velikosti mehkih in trdih delcev. Hielscher izdeluje ultrazvočne naprave za homogenizacijo poljubne prostornine tekočine ter za šaržno ali pretočno obdelavo. Laboratorijske ultrazvočne naprave se lahko uporabljajo za prostornine od 1,5mL do približno 4L. Industrijske ultrazvočne naprave lahko pri razvoju postopkov in v komercialni proizvodnji obdelujejo šarže od 0,5 do približno 2000L ali pretoke od 0,1L do 20 kubičnih metrov na uro.
Odkrijte moč ultrazvočne homogenizacije!
Ultrazvočno dispergiranje in deaglomeracija
Dispergiranje in deaglomeracija trdnih snovi v tekočinah sta pomembni uporabi ultrazvočnih naprav s sondo. Ultrazvočna / akustična kavitacija ustvarja velike strižne sile, ki aglomerate delcev razbijejo na posamezne, ločeno dispergirane delce. Vmešavanje praškov v tekočine je običajen korak pri formuliranju različnih izdelkov, kot so barve, laki, kozmetični izdelki, živila in pijače ali polirna sredstva. Posamezne delce držijo skupaj privlačne sile različne fizikalne in kemijske narave, vključno z van der Waalsovimi silami in površinsko napetostjo tekočine. Sonikacija premaga te privlačne sile, da delce deaglomerira in dispergira v tekočih medijih. Za dispergiranje in deaglomeracijo praškov v tekočinah je visokointenzivna sonikacija zanimiva alternativa visokotlačnim homogenizatorjem, mešalnikom z visokim strigom, mlinom s kroglicami ali mešalnikom z rotorjem in statorjem.
Pridobite podrobne informacije o ultrazvočnem dispergiranju in deaglomeraciji!
Ultrazvočno emulgiranje
Širok nabor vmesnih izdelkov in izdelkov za široko porabo, kot so kozmetika in losjoni za kožo, farmacevtska mazila, laki, barve, maziva in goriva, v celoti ali deloma temelji na emulzijah. Emulzije so disperzije dveh ali več tekočih faz, ki se med seboj ne mešajo. Zelo intenziven ultrazvok zagotavlja dovolj intenziven strig za dispergiranje tekoče faze (dispergirane faze) v obliki drobnih kapljic v drugi fazi (zvezni fazi). V območju dispergiranja implodirajoči kavitacijski mehurčki povzročajo intenzivne udarne valove v okoliški tekočini in nastanek tekočinskih curkov z veliko hitrostjo tekočine (visok strig). Sonikacijo je mogoče natančno prilagoditi ciljni velikosti kapljic emulzije, kar omogoča zanesljivo proizvodnjo mikroemulzij in nanoemulzij.
Kliknite tukaj in preberite več o ultrazvočnem emulgiranju!
Ultrazvočno mokro mletje in drobljenje
Sonikacija je učinkovita metoda za mokro mletje in mikrodrobljenje delcev. Ultrazvok ima številne prednosti zlasti pri pripravi suspenzij z izjemno drobnimi delci. Prekaša tradicionalno opremo za zmanjševanje velikosti delcev, kot so koloidni mlini (npr. krogelni mlini, mlini s kroglicami), kolutni mlini ali curkovni mlini. S sonikacijo je mogoče obdelovati suspenzije z visoko koncentracijo in visoko viskoznostjo – s čimer se zmanjša prostornina, ki jo je treba obdelati. Ultrazvočno mletje je seveda primerno za obdelavo materialov z mikrometrsko in nanometrsko velikostjo delcev, kot so keramika, pigmenti, barijev sulfat, kalcijev karbonat ali kovinski oksidi. Zlasti pri nanomaterialih sonikacija izstopa po učinkovitosti, saj njene zelo učinkovite strižne sile ustvarjajo enakomerno majhne nanodelce.
Preberite več o ultrazvočnem mokrem mletju in mikrodrobljenju!
TiO2, posušen z razprševanjem, pred ultrazvočnim mletjem in po njem
Ultrazvočna razgradnja in liza celic
Ultrazvočna obdelava lahko vlaknat celulozni material razgradi v drobne delce in razbije stene celične strukture. S tem se v tekočino sprosti več znotrajceličnega materiala, kot sta škrob ali sladkor. Ta učinek se lahko uporablja pri fermentaciji, razgradnji in drugih postopkih pretvorbe organskih snovi. Po mletju in drobljenju sonikacija encimom, ki pretvarjajo škrob v sladkorje, omogoči dostop do več znotrajceličnega materiala, npr. škroba, pa tudi do ostankov celičnih sten. Poveča tudi površino, ki je med utekočinjanjem ali saharifikacijo izpostavljena encimom. To običajno poveča hitrost in izkoristek fermentacije s kvasovkami in drugih postopkov pretvorbe, npr. za povečanje proizvodnje etanola iz biomase.
Preberite več o ultrazvočni razgradnji celičnih struktur!
Ultrazvočna ekstrakcija rastlinskih snovi
Ekstrakcija bioaktivnih spojin, shranjenih v celicah in podceličnih delcih, je široko razširjena uporaba visokointenzivnega ultrazvoka. Ultrazvočna ekstrakcija se uporablja za izolacijo sekundarnih metabolitov (npr. polifenolov), polisaharidov, beljakovin, eteričnih olj in drugih učinkovin iz celičnega matriksa rastlin in gliv. Sonikacija je primerna za ekstrakcijo organskih spojin z vodo in topili ter znatno izboljša izkoristek pridobivanja rastlinskih snovi iz rastlin ali semen. Ultrazvočna ekstrakcija se uporablja pri proizvodnji farmacevtskih izdelkov, nutracevtikov / prehranskih dopolnil, dišav in bioloških dodatkov. Ultrazvok je okolju prijazna tehnika ekstrakcije, ki se uporablja tudi za ekstrakcijo bioaktivnih sestavin v biorafinerijah, npr. za sproščanje dragocenih spojin iz neizkoriščenih tokov stranskih produktov, ki nastajajo v industrijskih postopkih. Sonikacija je zelo učinkovita tehnologija za ekstrakcijo rastlinskih snovi v laboratorijskem in proizvodnem merilu.
Spoznajte prednosti ultrazvočne ekstrakcije!
Ultrazvočni reaktor z močjo 16.000 vatov za z ultrazvokom izboljšano obdelavo tekočin.
Sonokemijska uporaba ultrazvoka
Sonokemija je uporaba ultrazvoka pri kemijskih reakcijah in postopkih. Mehanizem, ki povzroča sonokemijske učinke v tekočinah, je pojav akustične kavitacije. Sonokemijski učinki na kemijske reakcije in postopke vključujejo povečanje hitrosti reakcije ali količine produkta, učinkovitejšo rabo energije, izboljšanje delovanja katalizatorjev faznega prenosa, aktivacijo kovin in trdnih snovi ali povečanje reaktivnosti reagentov ali katalizatorjev.
Spoznajte sonokemijske učinke ultrazvoka!
Ultrazvočna transesterifikacija (odpadnega) olja v biodizel
Sonikacija poveča hitrost kemijske reakcije in izkoristek transesterifikacije rastlinskih olj in živalskih maščob v biodizel. To omogoča prehod proizvodnje s šaržne obdelave na neprekinjeno pretočno obdelavo ter zmanjšuje naložbene in obratovalne stroške. Ena glavnih prednosti ultrazvočne proizvodnje biodizla je uporaba odpadnih olj, kot so rabljena jedilna olja in drugi viri olja slabe kakovosti. Ultrazvočna transesterifikacija lahko celo surovine nizke kakovosti pretvori v visokokakovosten biodizel (metilni ester maščobnih kislin / FAME). Proizvodnja biodizla iz rastlinskih olj ali živalskih maščob vključuje transesterifikacijo maščobnih kislin z metanolom ali etanolom ob katalizi z bazo, pri čemer nastanejo ustrezni metilni ali etilni estri. S sonikacijo je mogoče doseči izkoristek biodizla, ki presega 99%. Ultrazvok znatno skrajša čas obdelave in čas ločevanja.
Kliknite tukaj in preberite več o ultrazvočno podprti transesterifikaciji olja v biodizel!
Ultrazvočno razplinjevanje, odstranjevanje zraka in pene iz tekočin
Razplinjevanje tekočin je še ena pomembna uporaba ultrazvočnih naprav s sondo. Ultrazvočne vibracije in kavitacija povzročajo koalescenco raztopljenih plinov v tekočini. Ko se drobni plinski mehurčki združujejo, nastanejo večji mehurčki, ki hitro priplavajo na površino tekočine, od koder jih je mogoče odstraniti. Tako lahko ultrazvočno razplinjevanje in odstranjevanje zraka zmanjšata vsebnost raztopljenega plina pod naravno ravnotežno raven.
Kliknite tukaj in preberite več o ultrazvočnem razplinjevanju tekočin!
Ultrazvočno čiščenje žic, kablov in trakov
Ultrazvočno čiščenje je okolju prijazna alternativa za čiščenje kontinuiranih materialov, kot so žice in kabli, trakovi ali cevi. Učinek močne ultrazvočne kavitacije s površine materiala odstranjuje ostanke maziv, kot so olja ali mazalne masti, mila, stearate ali prah. Hielscher Ultrasonics ponuja različne ultrazvočne sisteme za čiščenje kontinuiranih profilov v proizvodni liniji.
Kliknite tukaj za več informacij o ultrazvočnem čiščenju kontinuiranih profilov!
Kontaktirajte nas! / Vprašajte nas!
Zakaj je sonikacija vrhunska metoda obdelave?
Sonikacija oziroma uporaba visokofrekvenčnih zvočnih valov za vzburjanje tekočin je učinkovita metoda obdelave iz različnih razlogov. Tu je nekaj razlogov, zakaj je sonikacija z visoko intenzivnostjo in nizko frekvenco približno 20kHz posebej učinkovita in koristna pri obdelavi tekočin in suspenzij:
- Kavitacija: Eden glavnih mehanizmov sonikacije je nastajanje in sesedanje drobnih mehurčkov, pojav, imenovan kavitacija. Pri 20kHz imajo zvočni valovi ravno pravo frekvenco za učinkovito ustvarjanje in sesedanje mehurčkov. Sesedanje teh mehurčkov ustvarja visokoenergijske udarne valove, ki lahko razbijejo delce in razgradijo celice v tekočini, obdelovani s sonikacijo.
- Nihanje in vibracije: Poleg nastale akustične kavitacije nihanje ultrazvočne sonde povzroča dodatno vzburjanje in mešanje tekočine, s čimer spodbuja prenos snovi in/ali razplinjevanje.
- Prodiranje: Zvočni valovi pri 20kHz imajo razmeroma dolgo valovno dolžino, kar jim omogoča prodiranje globoko v tekočine. Ultrazvočna kavitacija je lokaliziran pojav, ki nastaja v okolici ultrazvočne sonde. Z naraščajočo oddaljenostjo od sonde se intenzivnost kavitacije zmanjšuje. Vendar lahko sonikacija pri 20kHz učinkovito obdela večje prostornine tekočine v primerjavi s sonikacijo pri višjih frekvencah, ki ima krajše valovne dolžine in je lahko bolj omejena glede globine prodiranja.
- Majhna poraba energije: Sonikacijo je mogoče izvajati z razmeroma majhno porabo energije v primerjavi z drugimi metodami obdelave, kot sta visokotlačna homogenizacija ali mehansko mešanje. Zato je energijsko učinkovitejša in stroškovno ugodnejša metoda za obdelavo tekočin.
- Linearno prilagajanje merila: Ultrazvočne postopke je mogoče povsem linearno prilagajati večjim ali manjšim prostorninam. To omogoča zanesljivo prilagajanje postopkov v proizvodnji, saj je mogoče kakovost izdelkov neprekinjeno ohranjati stabilno.
- Šaržna in pretočna obdelava: Sonikacijo je mogoče izvajati kot šaržni postopek ali kot neprekinjen pretočni postopek. Pri sonikaciji šarž se ultrazvočna sonda vstavi v odprto posodo ali zaprt šaržni reaktor. Za sonikacijo neprekinjenega toka se namesti ultrazvočna pretočna celica. Tekoči medij teče mimo sonotrode (ultrazvočno nihajoče palice) v enem prehodu ali z recirkulacijo ter je zelo enakomerno in učinkovito izpostavljen ultrazvočnim valovom.
Zaradi intenzivnih sil kavitacije, majhne porabe energije in možnosti prilagajanja merila postopka je nizkofrekvenčna sonikacija z veliko močjo učinkovita metoda za obdelavo tekočin.
Načelo delovanja in uporaba ultrazvočne obdelave
Sonikacija je komercialna tehnologija obdelave, ki so jo številne industrijske panoge uvedle za proizvodnjo v velikem merilu. Zaradi visoke zanesljivosti in možnosti prilagajanja merila ter nizkih stroškov vzdrževanja in visoke energijske učinkovitosti so ultrazvočne naprave dobra alternativa tradicionalni opremi za obdelavo tekočin. Ultrazvok ponuja dodatne zanimive možnosti: kavitacija – osnovni ultrazvočni učinek – daje edinstvene rezultate v bioloških, kemijskih in fizikalnih postopkih. Ultrazvočno dispergiranje in emulgiranje na primer preprosto omogočata pripravo stabilnih formulacij z nanometrsko velikostjo delcev ali kapljic. Tudi na področju ekstrakcije rastlinskih snovi je ultrazvok netoplotna tehnika za izolacijo bioaktivnih spojin.
Ultrazvočno mešanje temelji na akustični kavitaciji in njenih hidrodinamičnih strižnih silah.
Medtem ko se ultrazvok z nizko intenzivnostjo ali visoko frekvenco uporablja predvsem za analizo, neporušitveno preskušanje in slikanje, se visokointenzivni ultrazvok uporablja za obdelavo tekočin in past, pri kateri se intenzivni ultrazvočni valovi uporabljajo za mešanje, emulgiranje, dispergiranje in deaglomeracijo, razgradnjo celic ali deaktivacijo encimov. Pri sonikaciji tekočin z visoko intenzivnostjo se zvočni valovi širijo skozi tekoče medije. To povzroča izmenjujoče se cikle visokega tlaka (stiskanje) in nizkega tlaka (redčenje), katerih hitrost ponavljanja je odvisna od frekvence. Med ciklom nizkega tlaka visokointenzivni ultrazvočni valovi v tekočini ustvarjajo majhne vakuumske mehurčke ali praznine. Ko mehurčki dosežejo prostornino, pri kateri ne morejo več absorbirati energije, se med ciklom visokega tlaka silovito sesedejo. Ta pojav se imenuje kavitacija. Med implozijo se lokalno dosežejo zelo visoke temperature (približno 5.000K) in tlaki (približno 2.000atm). Implozija kavitacijskega mehurčka povzroči tudi tekočinske curke s hitrostjo do 280 metrov na sekundo.
Ultrazvočna kavitacija v tekočinah lahko povzroči hitro in popolno razplinjevanje; sproži različne kemijske reakcije z ustvarjanjem prostih kemijskih ionov (radikalov); pospeši kemijske reakcije z olajšanjem mešanja reaktantov; okrepi reakcije polimerizacije in depolimerizacije z dispergiranjem agregatov ali trajnim pretrganjem kemijskih vezi v polimernih verigah; poveča hitrost emulgiranja; izboljša hitrost difuzije; ustvari visoko koncentrirane emulzije ali enakomerne disperzije materialov z mikrometrsko ali nanometrsko velikostjo delcev; pomaga pri ekstrakciji snovi, kot so encimi, iz živalskih, rastlinskih, kvasnih ali bakterijskih celic; odstrani viruse iz okuženega tkiva; in nazadnje erodira in razgradi občutljive delce, vključno z mikroorganizmi. (prim. Kuldiloke 2002)
Visokointenzivni ultrazvok povzroča silovito vzburjanje tekočin z nizko viskoznostjo, kar je mogoče uporabiti za dispergiranje materialov v tekočinah. (prim. Ensminger, 1988) Na mejah med tekočo in trdno fazo ali plinasto in trdno fazo lahko asimetrična implozija kavitacijskih mehurčkov povzroči izjemno turbulenco, ki zmanjša difuzijsko mejno plast, poveča konvekcijski prenos snovi in znatno pospeši difuzijo v sistemih, kjer običajno mešanje ni mogoče. (prim. Nyborg, 1965)
Močna ultrazvočna kavitacija na Hielscher Cascatrode
Pogosta vprašanja o ultrazvočnih napravah za laboratorij, namizno uporabo in industrijo
Ali so ultrazvočne naprave Hielscher zasnovane za zahtevne industrijske uporabe?
Da. Industrijske ultrazvočne naprave Hielscher so izrecno zasnovane za neprekinjeno delovanje pri visoki obremenitvi v zahtevnih industrijskih okoljih. Z izhodnimi močmi od 500 vatov do 16 kilovatov na enoto so izdelane za izpolnjevanje strogih zahtev proizvodnih postopkov v velikem merilu, ki jih laboratorijske naprave ne zmorejo obvladovati.
Kako vzdržljive so ultrazvočne naprave Hielscher v težkih razmerah?
Ultrazvočne naprave Hielscher so izdelane za izjemno vzdržljivost. Vsaka posamezna komponenta serije UIP je skrbno zasnovana in preskušena za dolgotrajno delovanje. V dejanskih postavitvah po vsem svetu ti sistemi redno prenesejo namestitev na prostem, izpostavljenost prašnemu zraku, razpršenim tekočinam in grobemu ravnanju brez poslabšanja funkcionalnosti.
Ali se je mogoče zanesti na opremo Hielscher pri neprekinjenem delovanju 24/7?
Vsekakor. Zanesljivost je temeljni steber zasnove podjetja Hielscher za industrijsko uporabo. Njihove ultrazvočne naprave so izdelane posebej za neprekinjeno delovanje v zahtevnih okoljih, kar zagotavlja dosledno kakovost obdelave in minimalne izpade vaše proizvodne linije. Ta zanesljivost je ključna, ko se obdelovane prostornine povečujejo in so obratovalni stroški pomembni.
Zakaj so ultrazvočne naprave Hielscher primerne za zahtevna industrijska okolja?
Naprave Hielscher se odlikujejo v zahtevnih okoljih, ker združujejo veliko moč, robustno konstrukcijo in izjemno energijsko učinkovitost. Njihove industrijske naprave ohranjajo izkoristek nad 85%, kar ne le zmanjšuje stroške električne energije, temveč zagotavlja tudi stabilno mehansko izhodno moč pri velikih obremenitvah. Zato so idealne za zahtevne postopke obdelave tekočin, kot so proizvodnja biodizla, mletje pigmentov in formuliranje nanomaterialov.
Ali imajo industrijske ultrazvočne naprave Hielscher dolgo življenjsko dobo?
Da, dolga življenjska doba je za Hielscher temeljno načelo zasnove. Ker je vsaka komponenta strogo preskušena za trajno delovanje, so ti sistemi izdelani za večletno neprekinjeno uporabo. Zaradi visokega izkoristka pretvorbe energije in robustne izdelave naprave Hielscher zagotavljajo zanesljivo, dolgotrajno delovanje tudi v najintenzivnejših industrijskih okoljih.
Kako Hielscher zagotavlja zanesljivost opreme pri povečevanju merila od laboratorija do proizvodnje?
Hielscher možnost prilagajanja merila zagotavlja s sklopi industrijskih enot, ki omogočajo večjo redundanco in prilagodljivost zmogljivosti. Z uporabo več naprav z veliko močjo (npr. sklopov 6xUIP10000) lahko obrati ohranjajo zanesljivo, neprekinjeno delovanje ob obdelavi ogromnih prostornin (do 50 kubičnih metrov na uro), ne da bi preobremenili posamezne komponente. Ta modularni pristop, zasnovan za velike obremenitve, zagotavlja zanesljivost in doslednost postopka v velikem merilu.
Literatura
- 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).
Ultrazvočni reaktor s 4x sondami z močjo 2000 vatov (8kW) za sonokemijske postopke.
Hielscher Ultrasonics izdeluje visokozmogljive ultrazvočne homogenizatorje od laboratorijskega do industrijskega merila.