Ултразвучна обрада течности, суспензија и хемијских реакција

Ултразвучна обрада је метода механичке обраде која ствара акустичку кавитацију и физичке силе веома високог интензитета. Зато се ултразвук користи за бројне примене као што су мешање, хомогенизација, млевење, дисперговање, емулговање, екстракција, дегазација и сонохемијске реакције.

Пронађите своју примену у табели испод, кликните на везу и пређите директно на процес који вас занима! Сазнајте како соникација побољшава процес и његову ефикасност.

Ултразвучна хомогенизација

Ултразвучни хомогенизатори уситњавају ситне честице у течности како би побољшали уједначеност и стабилност дисперзије. Честице (дисперзна фаза) могу бити чврсте материје или капљице течности суспендоване у течној фази. Ултразвучна хомогенизација је веома ефикасна за уситњавање меких и тврдих честица. Hielscher производи ултразвучне процесоре за хомогенизацију течности било које запремине и за шаржну или проточну обраду. Лабораторијски ултразвучни уређаји могу се користити за запремине од 1,5mL до приближно 4L. Индустријски ултразвучни уређаји могу обрађивати шарже од 0,5 до приближно 2000L или радити при протоцима од 0,1L до 20 кубних метара на сат током развоја процеса и у комерцијалној производњи.
Откријте снагу ултразвучне хомогенизације!

Ултразвучно дисперговање и деагломерација

Дисперговање и деагломерација чврстих материја у течностима важна је примена ултразвучних процесора са сондом. Ултразвучна / акустичка кавитација ствара велике силе смицања које разбијају агломерате честица на појединачне, засебно дисперговане честице. Умешавање прахова у течности уобичајен је корак у формулисању различитих производа, као што су боје, лакови, козметички производи, храна и пића или средства за полирање. Појединачне честице држе на окупу привлачне силе различите физичке и хемијске природе, укључујући ван дер Валсове силе и површински напон течности. Ултразвучна обрада савладава ове привлачне силе како би се честице деагломерисале и дисперговале у течним медијумима. За дисперговање и деагломерацију прахова у течностима, ултразвучна обрада високог интензитета представља занимљиву алтернативу хомогенизаторима високог притиска, мешалицама са великим смицањем, млиновима са куглицама или роторско-статорским мешалицама.
Сазнајте детаљније информације о ултразвучном дисперговању и деагломерацији!

Ултразвучно емулговање

Широк спектар међупроизвода и производа широке потрошње, као што су козметички производи и лосиони за кожу, фармацеутске масти, лакови, боје, мазива и горива, у потпуности се или делимично заснива на емулзијама. Емулзије су дисперзије двеју или више течних фаза које се међусобно не мешају. Ултразвук високог интензитета обезбеђује довољно интензивно смицање да се једна течна фаза (диспергована фаза) диспергује у облику ситних капљица у другој фази (континуална фаза). У зони дисперговања, кавитациони мехурићи који имплодирају изазивају интензивне ударне таласе у околној течности и доводе до стварања млазева течности велике брзине (високо смицање). Ултразвучна обрада може се прецизно прилагодити циљној величини емулзије, чиме се омогућава поуздана производња микроемулзија и наноемулзија.
Кликните овде да бисте прочитали више о ултразвучном емулговању!

Ултразвучно мокро млевење и уситњавање

Ултразвучна обрада је ефикасан начин мокрог млевења и микроуситњавања честица. Ултразвук има бројне предности, нарочито у производњи суспензија са изузетно ситним честицама. Надмашује традиционалну опрему за смањење величине честица, као што су: колоидни млинови (нпр. куглични млинови, млинови са перлама), диск-млинови или млазни млинови. Ултразвучном обрадом могу се обрађивати суспензије високе концентрације и високе вискозности – чиме се смањује запремина коју треба обрадити. Наравно, ултразвучно млевење погодно је за обраду материјала микрометарских и нанометарских димензија, као што су керамика, пигменти, баријум-сулфат, калцијум-карбонат или оксиди метала. Нарочито када је реч о наноматеријалима, ултразвучна обрада се истиче учинком јер њене изузетно снажне силе смицања стварају равномерно ситне наночестице.
Прочитајте више о ултразвучном мокром млевењу и микроуситњавању!

TiO2 осушен распршивањем пре и после ултразвучног млевења

Ултразвучна дезинтеграција и лиза ћелија

Ултразвучна обрада може да разгради влакнасти, целулозни материјал на ситне честице и да разори зидове ћелијске структуре. Тиме се у течност ослобађа више унутарћелијског материјала, као што су скроб или шећер. Овај ефекат може се користити за ферментацију, дигестију и друге процесе конверзије органске материје. Након млевења и уситњавања, ултразвучна обрада чини већу количину унутарћелијског материјала, нпр. скроба, као и остатке ћелијских зидова, доступним ензимима који претварају скроб у шећере. Такође повећава површину изложену ензимима током ликвефакције или сахарификације. То обично повећава брзину и принос ферментације помоћу квасца и других процеса конверзије, нпр. ради повећања производње етанола из биомасе.
Прочитајте више о ултразвучној дезинтеграцији ћелијских структура!

Ултразвучна екстракција биљних материјала

Екстракција биоактивних једињења ускладиштених у ћелијама и субћелијским честицама представља широко распрострањену примену ултразвука високог интензитета. Ултразвучна екстракција користи се за изоловање секундарних метаболита (нпр. полифенола), полисахарида, протеина, етарских уља и других активних састојака из ћелијског матрикса биљака и гљива. Погодна за екстракцију органских једињења водом и растварачима, соникација значајно повећава принос биљних једињења садржаних у биљкама или семену. Ултразвучна екстракција користи се за производњу фармацеутских производа, нутрацеутика / додатака исхрани, мириса и биолошких адитива. Ултразвучна обрада је еколошка техника екстракције која се користи и за екстракцију биоактивних компоненти у биорафинеријама, нпр. за ослобађање вредних једињења из неискоришћених токова нуспроизвода насталих у индустријским процесима. Ултразвучна обрада је веома делотворна технологија за екстракцију биљних материјала у лабораторијским и производним размерама.
Истражите предности ултразвучне екстракције!

Сонохемијска примена ултразвука

Сонохемија је примена ултразвука у хемијским реакцијама и процесима. Механизам који изазива сонохемијске ефекте у течностима јесте појава акустичке кавитације. Сонохемијски ефекти на хемијске реакције и процесе обухватају повећање брзине реакције или приноса, ефикасније коришћење енергије, побољшање деловања катализатора фазног преноса, активацију метала и чврстих материја или повећање реактивности реагенаса или катализатора.
Истражите сонохемијске ефекте ултразвука!

Ултразвучна трансестерификација (отпадног) уља у биодизел

Ултразвучна обрада повећава брзину хемијске реакције и принос трансестерификације биљних уља и животињских масти у биодизел. То омогућава прелазак са шаржне производње на континуалну проточну производњу и смањује инвестиционе и оперативне трошкове. Једна од главних предности ултразвучне производње биодизела јесте употреба отпадних уља, као што су искоришћена јестива уља и други извори уља лошег квалитета. Ултразвучна трансестерификација може да претвори чак и сировине ниског квалитета у висококвалитетни биодизел (метил естар масних киселина / FAME). Производња биодизела од биљних уља или животињских масти обухвата базно катализовану трансестерификацију масних киселина метанолом или етанолом, при чему настају одговарајући метил естри или етил естри. Ултразвучном обрадом може се постићи принос биодизела већи од 99%. Ултразвук значајно скраћује време обраде и време раздвајања.
Кликните овде да бисте прочитали више о ултразвучно потпомогнутој трансестерификацији уља у биодизел!

Ултразвучно дегазирање, деаерација и уклањање пене из течности

Дегазирање течности је још једна важна примена ултразвучних уређаја са сондом. Ултразвучне вибрације и кавитација изазивају коалесценцију растворених гасова у течности. Када се сићушни мехурићи гаса спајају, формирају веће мехуриће који брзо испливавају на површину течности, одакле се могу уклонити. Тако ултразвучно дегазирање и деаерација могу да смање ниво раствореног гаса испод природног равнотежног нивоа.
Кликните овде да бисте прочитали више о ултразвучном дегазирању течности!

Ултразвучно чишћење жице, каблова и трака

Ултразвучно чишћење је еколошки прихватљива алтернатива за чишћење континуалних материјала, као што су жица и каблови, траке или цеви. Дејство снажне ултразвучне кавитације уклања са површине материјала остатке средстава за подмазивање, попут уља или мазивих масти, сапуне, стеарате или прашину. Hielscher Ultrasonics нуди различите ултразвучне системе за чишћење континуалних профила у производној линији.
Кликните овде за више информација о ултразвучном чишћењу континуалних профила!

Шта соникацију чини супериорном методом обраде?

Соникација, односно употреба звучних таласа високе фреквенције за покретање течности, ефикасна је метода обраде из више разлога. Ево неколико разлога због којих је соникација високог интензитета и ниске фреквенције од приближно 20kHz посебно делотворна и погодна за обраду течности и суспензија:

1. Кавитација: Један од главних механизама соникације јесте стварање и колапс сићушних мехурића, појава која се назива кавитација. При 20kHz, звучни таласи имају управо одговарајућу фреквенцију за ефикасно стварање и колапс мехурића. Колапс ових мехурића производи ударне таласе високе енергије, који могу да уситне честице и разоре ћелије у течности која се обрађује соникацијом.
2. Осциловање и вибрације: Поред настале акустичке кавитације, осциловање ултразвучне сонде ствара додатно кретање и мешање у течности, чиме поспешује пренос масе и/или дегазирање.
3. Продирање: Звучни таласи на 20kHz имају релативно велику таласну дужину, што им омогућава да продиру дубоко у течности. Ултразвучна кавитација је локализована појава која се јавља у околини ултразвучне сонде. Са повећањем удаљености од сонде, интензитет кавитације се смањује. Међутим, соникација на 20kHz може ефикасно да обради веће запремине течности у поређењу са соникацијом на вишим фреквенцијама, која има краће таласне дужине и може бити ограниченија у погледу дубине продирања.
4. Мала потрошња енергије: Соникација се може спроводити уз релативно малу потрошњу енергије у поређењу са другим методама обраде, као што су хомогенизација под високим притиском или механичко мешање. То је чини енергетски ефикаснијом и исплативијом методом за обраду течности.
5. Линеарна скалабилност: Ултразвучни процеси се могу потпуно линеарно скалирати на веће или мање запремине. То омогућава поуздано прилагођавање процеса у производњи, јер се квалитет производа може непрекидно одржавати стабилним.
6. Шаржна обрада и обрада у протоку: Ултразвучна обрада се може спроводити шаржно или као континуални процес у протоку. За соникацију шаржи, ултразвучна сонда се урања у отворену посуду или затворени шаржни реактор. За соникацију континуалног тока уграђује се ултразвучна проточна ћелија. Течни медијум пролази поред сонотроде (шипке која вибрира ултразвучном фреквенцијом) у једном пролазу или рециркулацијом и веома равномерно и ефикасно се излаже ултразвучним таласима.

Свеукупно, интензивне кавитационе силе, мала потрошња енергије и скалабилност процеса чине соникацију ниске фреквенције и велике снаге ефикасном методом за обраду течности.

Принцип рада и примена ултразвучне обраде

Ултразвучна обрада је комерцијална технологија обраде коју су бројне индустријске гране усвојиле за производњу великог обима. Висока поузданост и скалабилност, као и ниски трошкови одржавања и висока енергетска ефикасност, чине ултразвучне процесоре добром алтернативом традиционалној опреми за обраду течности. Ултразвук нуди и додатне узбудљиве могућности: кавитација – основни ефекат ултразвука – даје јединствене резултате у биолошким, хемијским и физичким процесима. На пример, ултразвучним дисперговањем и емулговањем лако се добијају стабилне формулације са честицама или капљицама нанометарских димензија. И у области екстракције биљних материјала, ултразвук је нетермичка техника за изоловање биоактивних једињења.

Ултразвучно мешање заснива се на акустичкој кавитацији и њеним хидродинамичким смицајним силама.

Док се ултразвук ниског интензитета или високе фреквенције углавном користи за анализу, испитивање без разарања и снимање, ултразвук високог интензитета користи се за обраду течности и паста, при чему се интензивни ултразвучни таласи користе за мешање, емулговање, дисперговање и деагломерацију, дезинтеграцију ћелија или деактивацију ензима. При соникацији течности високим интензитетом, звучни таласи се простиру кроз течне медијуме. То доводи до наизменичних циклуса високог притиска (компресије) и ниског притиска (разређења), чија учесталост зависи од фреквенције. Током циклуса ниског притиска, ултразвучни таласи високог интензитета стварају мале вакуумске мехуриће или шупљине у течности. Када мехурићи достигну запремину при којој више не могу да апсорбују енергију, нагло колабирају током циклуса високог притиска. Ова појава назива се кавитација. Током имплозије локално се достижу веома високе температуре (прибл. 5.000K) и притисци (прибл. 2.000atm). Имплозија кавитационог мехурића такође доводи до стварања млазева течности брзине до 280 метара у секунди.

Ултразвучна кавитација у течностима може да изазове брзу и потпуну дегазацију; покрене различите хемијске реакције стварањем слободних хемијских јона (радикала); убрза хемијске реакције олакшавањем мешања реактаната; поспеши реакције полимеризације и деполимеризације дисперговањем агрегата или трајним раскидањем хемијских веза у полимерним ланцима; повећа брзину емулговања; повећа брзину дифузије; произведе висококонцентроване емулзије или уједначене дисперзије материјала микрометарских или нанометарских величина; потпомогне екстракцију супстанци као што су ензими из животињских, биљних, квасних или бактеријских ћелија; уклони вирусе из зараженог ткива; и коначно, еродира и разгради честице подложне овим дејствима, укључујући микроорганизме. (уп. Kuldiloke 2002)

Ултразвук високог интензитета изазива снажно комешање у течностима ниске вискозности, што се може користити за дисперговање материјала у течностима. (уп. Ensminger, 1988) На границама фаза течност/чврста материја или гас/чврста материја, асиметрична имплозија кавитационих мехурића може да изазове изузетно снажне турбуленције које смањују дифузиони гранични слој, повећавају конвективни пренос масе и знатно убрзавају дифузију у системима у којима уобичајено мешање није могуће. (уп. Nyborg, 1965)

Литература

• 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).