Ultrazvučnost je metod mehaničke obrade koji stvara akustičnu kavitaciju i veoma intenzivne fizičke sile. Stoga se ultrazvuk koristi za brojne primene kao što su mešanje, homogenizacija, mliniranje, disperzija, emulzija, vađenje, degaziranje i sono-hemijske reakcije.
U nastavku ćete saznati sve o tipičnim ultrazvučnim aplikacijama i procesima.

Ultrasonični Homogenizacija

Ultrazvučni homogenizatori smanjuju male čestice u tečnosti kako bi poboljšali jednoličnost i disperziju stabilnost. Čestice (faze raspršivanja) mogu biti čvrste ili tečne kapljice suspendovane u tečnoj fazi. Ultrazvučno homogenizovanje je veoma efikasno za smanjenje mekih i tvrdih čestica. Hielscher proizvodi ultrazvučnike za homogenizaciju bilo kog tečnog volumena i za grupnu ili umetnutu obradu. Laboratorijski ultrazvučni uređaji se mogu koristiti za volumene od 1.5mL do aproks. 4L. Ultrazvučni industrijski uređaji mogu da obrađuju grupe od 0,5 do aproks. 2000L ili stope protoka od 0,1L do 20 kubnih metara na sat u razvoju procesa i u komercijalnoj proizvodnji.
Kliknite ovde da pročitate više o ultrasonični Homogenizacija!

Ултразвучна дисперзија и деагломерација

Raspršivanje i deagglomeracija čvrstine u tečnost je važna primena ultrazvučnih tipa sonde. Ultrazvučna / akustična kavitacija generiše visoke sile koje razbijaju čestice aglomerate u pojedinačne, jednostruke raspršene čestice. Mešanje pudera u tečnost je čest korak u formulisanju različitih proizvoda, kao što su farba, lak, kozmetički proizvodi, hrana i piće ili poliranje medija. Pojedinačne čestice drže zajedno atrakcijske sile različite fizičke i hemijske prirode, uključujući van-der-Waals-forces i tečnu površinsku napetost. Ultrazvučnost prevazilazi ove sile privlačnosti kako bi se deaglomerirale i rasterale čestice u tečnim medijima. Za raspršivanje i deaglomeraciju pudera u tečnosti, ultrazvučnost visokog intenziteta je interesantna alternativa homogenizatorima visokog pritiska, mešalicama visokog šiptara, mlinovima za zube ili rotor-stator-mikserima.
Kliknite ovde da biste pročitali više o ultrasonovom raspršivanje i deagglomeration!

Ultrazvučna Emulsacija

Širok spektar srednjih i potrošačkih proizvoda, kao što su kozmetika i losioni za kožu, farmaceutske mast, lakovi, boje i maziva i goriva bazirani su potpuno ili delimično na emulzijama. Emulzije su raspršivanje dve ili više nepogrešivih tečnih faza. Visoko intenzivni ultrazvuk snabdeva dovoljno intenzivnim čaršijama da rastera tečnu fazu (raspršenu fazu) u malim kapljicama u drugoj fazi (neprekidna faza). U zoni raspršivanja, implodiranje kavitacionih mehurića izaziva intenzivne udarne talase u okolnoj tečnosti i rezultira formiranjem tečnih mlazova velike tečne brzine (visoka čaršija). Ultrazvučnost se može precizno prilagoditi veličini ciljne emulzije koja time omogućava pouzdanu proizvodnju mikro-emulzija i nano-emulzija.
Kliknite ovde da biste pročitali više o ultrasonemulsifikaciji!

Ultrasoničan i brušenje

Ultrazvučnost je efikasno sredstvo za mokro mlevenje i mikro brušenje čestica. Posebno za proizvodnju ljage veličine superfina, ultrazvuk ima mnogo prednosti. Superiorniji je od tradicionalne opreme za smanjenje veličine, kao što su: koloidne mlinove (npr. mlinovi za kugle, mlinovi za klaske), fabrike diska ili mlazne vodenice. Ultrazvučnost može da obradi visokokoncentracione i visoko-viskoznosti ljage – stoga smanjuje zapreminu koju treba obraditi. Naravno, ultrazvučno mlevenje je pogodno za obradu mikronskih i nano-veličina materijala, kao što su keramika, pigmenti, barijum sulfat, kalcijum karbonat ili metalni oksidati. Naročito kada je reč o nano-materijalima, ultrazvučnost se ističe u performansama dok njene visoko uticajne sile stvaraju ujednačeno male nanočestice.
Kliknite ovde da pročitate više o ultrasonovnom gloviji i mikrobrušenje!

Spray-dried TiO2 pre i posle ultrazvučnog mlevenja

Ultrazvučna dezintegracija ćelija i liza

Ultrazvučni tretman može da dezintegriše vlaknasti, celulozni materijal u fine čestice i razbije zidove ćelijske strukture. Ovo oslobađa više unutarćelijskog materijala, kao što je skrob ili šećer u tečnost. Ovaj efekat se može koristiti za fermentaciju, varenje i druge procese konverzije organskih materija. Nakon mlevenja i mlevenja, ultrazvučnost čini više unutarćelijskog materijala npr. skroba kao i krhotinama ćelijskog zida dostupnim enzimima koji pretvaraju skrob u šećere. Takođe povećava površinsku površinu izloženu enzimima tokom liquefaction ili sacharification. To obično povećava brzinu i prinos fermentacije kvasca i drugih procesa konverzije, npr.
Kliknite ovde da biste pročitali više o ultrasonovu neuravnoteženiji struktura ćelija!

ultrazvučno vađenje botanike

Vađenje bioaktivnih jedinjenja uskladištenih u ćelijama i subcelularnim česticama je široko korišćena primena ultrazvuka visokog intenziteta. Ultrazvučno vađenje se koristi za izolaciju sekundarnih metabolita (npr. polifenola), polisaharida, proteina, esencijalnih ulja i drugih aktivnih sastojaka iz ćelijske matrice biljaka i gljivica. Pogodan za vađenje vode i rastvarača organskih jedinjenja, sonifikacija značajno poboljšava prinos botanike koji se nalaze u biljkama ili semenu. Ultrazvučno vađenje se koristi za proizvodnju farmaceutskih proizvoda, nutraceutika / nutritivnih dodataka, mirisa i bioloških aditiva. Ultrazvuk je zelena tehnika ekstrakcije koja se takođe koristi za vađenje bioaktivnih komponenti u biorefinerima, npr. Ultrazvučnost je veoma efikasna tehnologija za botaničko vađenje na laboratorijskoj i proizvodnoj skali.
Kliknite ovde za više informacija o ultrazvučnom izvlačenju!

Sonohemijska primena Ultrasonika

Sonohemija je primena ultrazvuka na hemijske reakcije i procese. Mehanizam koji izaziva sonohemijsko dejstvo u tečnosti je fenomen akustične kavitacije. Sonohemijski efekti hemijskih reakcija i procesa uključuju povećanje brzine reakcije ili izlaza, efikasnije korišćenje energije, poboljšanje performansi faznih transfer katalizatora, aktiviranje metala i čvrstina ili povećanje reaktivnosti reagensa ili katalizatora.
Kliknite ovde da biste pročitali više o sonohemijskim efektima ultrazvuka!

Ultrasoničan Transesterifikacija ulja na biodizel

Ultrazvučnost povećava brzinu hemijske reakcije i prinos transesterifikacije biljnih ulja i životinjskih masti u biodizel. To omogućava promenu proizvodnje iz grupne obrade u kontinuiranu obradu toka i smanjuje investicione i operativne troškove. Jedna od glavnih prednosti ultrazvučne proizvodnje biodizela je upotreba otpadnih ulja kao što su potrošena ulja za kuvanje i drugi loši izvori ulja. Ultrazvučna transesterifikacija može da pretvori čak i niskokvalitetni feedstock u visokokvalitetni biodizel (masna kiselina metil ester / FAME). Proizvodnja biodizela iz biljnih ulja ili životinjskih masti podrazumeva bazno kataliziranu transesterifikaciju masnih kiselina metanolom ili etanolom kako bi se dali odgovarajući metil esteri ili etil esteri. Ultrazvučnost može da postigne prinos biodizela u višku od 99%. Ultrazvuk značajno snišava vreme obrade i vreme razdvajanja.
Kliknite ovde da pročitate više o ultrasonički pomagani transesterifikaciji ulja na biodizel!

Ultrazvučni degasing i de-Aeration of Liquids

Degaziranje tečnosti je još jedna važna primena ultrazvučnih tipa sonde. Ultrazvučne vibracije i kavitacija izazivaju spoznaju rastvorenih gasova u tečnosti. Kako se minuti gasnih mehurića unazade, oni nastoje tako veći mehurići koji brzo plutaju do gornje površine tečnosti odatle mogu biti uklonjeni. Tako ultrazvučno degaziranje i deaeracija mogu da smanje nivo rastvorenog gasa ispod nivoa prirodne ravnoteže.
Kliknite ovde da pročitate više o ultrasonični degassing tečnosti!

Ultrasonični provodnik, kabal i čišćenje trake

Ultrazvučno čišćenje je ekološki prihvatljiva alternativa za čišćenje neprekidnih materijala, kao što su žica i kabl, traka ili cevi. Efekat moćne ultrazvučne kavitacije uklanja zamaske podmazivanja poput ulja ili masti, sapuna, stearate ili prašine sa materijalne površine. Hielscher Ultrasonics nudi različite ultrazvučne sisteme za umetnuto čišćenje neprekidnih profila.
Kliknite ovde za više informacija o ultrazvučnom čišćenju neprekidnih profila!

Šta sonikaciju čini superiornim načinom obrade?

Sonication, odnosno upotreba visokofrekventnih zvučnih talasa za agitovanje tečnosti, efikasan je način obrade iz različitih razloga. Evo nekih razloga zbog kojih je sonikacija visokog intenziteta i niske frekvencije apropusa. 20kHz je posebno uticajan i povoljn za obradu tečnosti i srljanja:

1. Kavitacija: Jedan od glavnih mehanizama sonikacije je stvaranje i urušavanje sićušnih mehurića, fenomen koji se zove kavitacija. Na 20kHz, zvučni talasi su na pravoj frekvenciji da efikasno stvaraju i urušavaju mehuriće. Kolaps ovih mehurića proizvodi visoke energetske udarne talase, koji mogu da slome čestice i poremete ćelije u tečnosti koja se sonično koristi.
2. Oscilacije i vibracije: Pored generisane akustične kavitacije, oscilacija ultrazvučne sonde stvara dodatnu agitaciju i mešanje u tečnost, čime se promoviše masovni prenos i/ili degazovanje.
3. Penetracija: Zvučni talasi na 20kHz imaju relativno dugu talasnu dužinu, što im omogućava da duboko prodru u tečnost. Ultrazvučna kavitacija je lokalizovani fenomen koji se pojavljuje u okolini ultrazvučne sonde. Sa sve većom udaljenošću od sonde, intenzitet kavitacije se smanjuje. Međutim, sonicija na 20kHz može efikasno da tretira veće količine tečnosti, u poređenju sa većom frekventnom sonikacijom koja ima kraće talasne dužine i može biti ograničenija u svojoj dubini penetracije.
4. Niska potrošnja energije: Sonicija se može postići relativno niskom potrošnjom energije u poređenju sa drugim metodama obrade kao što su homogenizacija visokog pritiska ili mehaničko komešanje. To ga čini energetski efikasnijim i isplativijim metodom obrade tečnosti.
5. Linearna skalabilnost: Ultrazvučni procesi se mogu podešati potpuno linearno na veće ili manje volumene. To čini procesne adaptacije u proizvodnji pouzdanim jer kvalitet proizvoda može da se održava neprekidno stabilnim.
6. Grupa i umetnuti tok: Ultrazvučnost se može izvršiti kao grupni ili kao neprekidni umetnuti procesi. Za soničnu grupu, ultrazvučna sonda se ubacuje u otvoreni brod ili zatvoreni grupni reaktor. Za sonikaciju neprekidnog toka, instalirana je ultrazvučna ćelija toka. Tečni medijum prolazi pored sonotroda (ultrasonično vibrirajuće šipke) u jednom prolazu ili recirkulaciji i veoma je ujednačen i efikasan izložen ultrazvučnim talasima.

Sve u svemu, intenzivne sile kavitacije, niska potrošnja energije i skalabilnost procesa čine niskofrekventnu soniciju visoke snage efikasnim metodom za obradu tečnosti.

Radni princip i upotreba ultrazvučne obrade

Ultrazvučnost je komercijalna tehnologija obrade, koju su usvojile brojne industrije za proizvodnju velikih razmera. Visoka pouzdanost i skalabilnost kao i niski troškovi održavanja i visoka energetska efikasnost čine ultrazvučne procesore dobrom alternativom za tradicionalnu opremu za obradu tečnosti. Ultrazvuk nudi dodatne uzbudljive mogućnosti: Kavitacija – osnovni ultrazvučni efekat – daje jedinstvene rezultate u biološkim, hemijskim i fizičkim procesima. Na primer, ultrazvučna disperzija i emulzija lako proizvode stabilne formulacije nano veličine. Takođe u oblasti botaničkog vađenja, ultrazvuk je ne-termalna tehnika za izolaciju bioaktivnih jedinjenja.

Dok se ultrazvuk niskog intenziteta ili visoke frekvencije uglavnom koristi za analizu, nedestruktivno testiranje i snimanje, ultrazvuk visokog intenziteta se koristi za obradu tečnosti i pasti, gde se intenzivni ultrazvučni talasi koriste za mešanje, emulziju, raspršivanje i deagglomeraciju, dezintegraciju ćelija ili enzimiju. Kada se tečnost sonicira visokim intenzitetom, zvučni talasi se propagiraju kroz tečne medije. To rezultira naizmeničnim ciklusima visokog pritiska (kompresije) i niskog pritiska (retkosti) sa stopama u zavisnosti od frekvencije. Tokom ciklusa niskog pritiska, ultrazvučni talasi visokog intenziteta stvaraju male vakuumske mehuriće ili praznine u tečnosti. Kada mehurići dobiju zapreminu na kojoj više ne mogu da apsorbuju energiju, oni se nasilno urušavaju tokom ciklusa visokog pritiska. Ovaj fenomen se naziva kavitacija. Tokom implozije veoma visoke temperature (oko 5.000K) i pritisci (oko 2.000atm) se dostiћu lokalno. Implozija mehurića kavitacije takođe rezultira tečnim mlazovima brzine do 280 metara u sekundi.

Ultrazvučna kavitacija u tečnostima može da izazove brzo i potpuno degaziranje; inicira razne hemijske reakcije generisanjem besplatnih hemijskih jona (radikala); ubrzava hemijske reakcije olakšavanjem mešanja reaktivatora; poboljšati reakcije polimerizacije i depolimerizacije rasterinjem agregata ili trajnim prekidom hemijskih veza u polimerskim lancima; povećanje stope emulizacije; poboljšanje stope difuzije; proizvode visoko koncentrovane emulzije ili ujednačene disperzije mikron veličine ili nano-veličine materijala; pomažu u vađenju supstanci kao što su enzimi iz životinjskih, biljnih, kvasca ili bakterijskih ćelija; uklanjanje virusa iz zaraženog tkiva; i na kraju, nagrizaju i razgraрuju osetljive иestice, ukljuиujuжi mikroorganizme. (cf. Kuldiloke 2002)

Ultrazvuk visokog intenziteta proizvodi nasilnu agitaciju u tečnosti niske viskoznosti, koja se može koristiti za rasterivanje materijala u tečnosti. (cf. Ensminger, 1988) Kod tečnih/čvrstih ili gasovitih/čvrstih interfejsa, asimetrična implozija mehurića kavitacije može da izazove ekstremne turbulencije koje smanjuju granični sloj difuzije, povećavaju prenos konvekcione mase i znatno ubrzavaju difuziju u sistemima gde obično mešanje nije moguće. (cf. Nyborg, 1965)

Литература