Ултразвук: примене и процеси

Ултразвук је механичка метода обраде која ствара акустичну кавитацију и високо интензивне физичке силе. Због тога се ултразвук користи за бројне примене као што су мешање, хомогенизација, млевење, дисперзија, емулговање, екстракција, дегазација и сонохемијске реакције.
У наставку ћете научити све о типичним ултразвучним апликацијама и процесима.

ултразвучно хомогенизовање

Ултразвучни хомогенизатори смањују мале честице у течности како би побољшали униформност и стабилност дисперзије. Честице (дисперзна фаза) могу бити чврсте материје или течне капљице суспендоване у течној фази. Ултразвучна хомогенизација је веома ефикасна за смањење меких и тврдих честица. Хиелсцхер производи ултрасоникаторе за хомогенизацију било које запремине течности и за серијску или инлине обраду. Лабораторијски ултразвучни уређаји се могу користити за запремине од 1,5мЛ до прибл. 4Л. Ултразвучни индустријски уређаји могу да обрађују серије од 0,5 до прибл. 2000Л или протока од 0,1Л до 20 кубних метара на сат у развоју процеса иу комерцијалној производњи.
Кликните овде да прочитате више о ултразвучној хомогенизацији!

Ултразвучно дисперговање и деагломерација

Дисперзија и деагломерација чврстих материја у течности је важна примена ултразвучних апарата типа сонде. Ултразвучна/акустична кавитација ствара велике силе смицања које разбијају агломерате честица у појединачне, појединачне дисперговане честице. Мешање праха у течности је уобичајен корак у формулацији различитих производа, као што су боје, лакови, козметички производи, храна и пића, или средства за полирање. Појединачне честице држе заједно силе привлачења различите физичке и хемијске природе, укључујући ван-дер-Валсове силе и површински напон течности. Ултразвук превазилази ове силе привлачења како би деагломерирао и распршио честице у течним медијима. За дисперговање и деагломерацију прахова у течностима, ултразвук високог интензитета је интересантна алтернатива хомогенизаторима високог притиска, миксерима са високим смицањем, млиновима за перле или ротор-статор-мешалицама.
Кликните овде да прочитате више о ултразвучном дисперговању и деагломерацији!

Ултразвучна емулзификација

Широк спектар полупроизвода и производа широке потрошње, као што су козметика и лосиони за кожу, фармацеутске масти, лакови, боје и мазива и горива су у потпуности или делимично засновани на емулзијама. Емулзије су дисперзије две или више течних фаза које се не мешају. Високо интензиван ултразвук даје довољно интензивног смицања да распрши течну фазу (дисперзну фазу) у малим капљицама у другој фази (континуирана фаза). У зони распршивања, имплодирајући мехурићи кавитације изазивају интензивне ударне таласе у околној течности и резултирају формирањем течних млазова велике брзине течности (високог смицања). Ултразвук се може прецизно прилагодити циљаној величини емулзије, омогућавајући тиме поуздану производњу микро-емулзија и нано-емулзија.
Кликните овде да прочитате више о ултразвучној емулзификацији!

Ултразвучно мокро млевење и млевење

Ултразвук је ефикасно средство за мокро млевење и микро млевење честица. Ултразвук има многе предности посебно за производњу суперфине суспензије. Он је супериоран у односу на традиционалну опрему за смањење величине, као што су: колоидни млинови (нпр. куглични млинови, млинови за перле), млинови са дисковима или млинови са млазом. Ултразвучна обрада може да обрађује каше високе концентрације и високог вискозитета – на тај начин смањује запремину која се обрађује. Наравно, ултразвучно млевење је погодно за обраду материјала микронске и нано-величине, као што су керамика, пигменти, баријум сулфат, калцијум карбонат или метални оксиди. Нарочито када су у питању наноматеријали, ултразвучна обрада се истиче у перформансама јер његове веома ударне силе смицања стварају уједначено мале наночестице.
Кликните овде да прочитате више о ултразвучном мокром млевењу и микро млевењу!

ТиО2 осушен спрејом пре и после ултразвучног млевења

Ултразвучна дезинтеграција и лиза ћелија

Ултразвучни третман може дезинтегрисати влакнасти, целулозни материјал у фине честице и разбити зидове ћелијске структуре. Ово ослобађа више унутарћелијског материјала, као што је скроб или шећер у течност. Овај ефекат се може користити за ферментацију, варење и друге процесе конверзије органске материје. Након млевења и млевења, ултразвучна обрада чини више унутарћелијског материјала, нпр. скроба, као и остатака ћелијског зида, доступним ензимима који претварају скроб у шећере. Такође повећава површину изложену ензимима током течења или сахарификације. Ово обично повећава брзину и принос ферментације квасца и других процеса конверзије, нпр. да би се повећала производња етанола из биомасе.
Кликните овде да прочитате више о ултразвучној дезинтеграцији ћелијских структура!

ултразвучна екстракција биљака

Екстракција биоактивних једињења ускладиштених у ћелијама и субцелуларним честицама је широко распрострањена примена ултразвука високог интензитета. Ултразвучна екстракција се користи за изоловање секундарних метаболита (нпр. полифенола), полисахарида, протеина, етеричних уља и других активних састојака из ћелијског матрикса биљака и гљива. Погодно за екстракцију органских једињења водом и растварачем, ултразвук значајно побољшава принос биљака садржаних у биљкама или семену. Ултразвучна екстракција се користи за производњу фармацеутских производа, нутрацеутика / додатака исхрани, мириса и биолошких адитива. Ултразвук је техника зелене екстракције која се такође користи за екстракцију биоактивних компоненти у биорафинеријама, нпр. ослобађање вредних једињења из токова неискоришћених нуспроизвода формираних у индустријским процесима. Ултразвук је веома ефикасна технологија за ботаничку екстракцију у лабораторији и производној скали.
Кликните овде за више информација о ултразвучној екстракцији!

Сонохемијска примена ултразвука

Сонохемија је примена ултразвука на хемијске реакције и процесе. Механизам који изазива сонохемијске ефекте у течностима је феномен акустичне кавитације. Сонохемијски ефекти на хемијске реакције и процесе укључују повећање брзине или излазне реакције, ефикасније коришћење енергије, побољшање перформанси катализатора фазног преноса, активацију метала и чврстих материја или повећање реактивности реагенаса или катализатора.
Кликните овде да прочитате више о сонохемијским ефектима ултразвука!

Ултразвучна трансестерификација уља у биодизел

Ултразвучна обрада повећава брзину хемијске реакције и принос трансестерификације биљних уља и животињских масти у биодизел. Ово омогућава промену производње са серијске обраде на континуирану проточну обраду и смањује инвестиционе и оперативне трошкове. Једна од главних предности производње ултразвучног биодизела је употреба отпадних уља као што су истрошена уља за кување и други извори уља лошег квалитета. Ултразвучна трансестерификација може претворити чак и сировину ниског квалитета у биодизел високог квалитета (метил естар масних киселина / ФАМЕ). Производња биодизела од биљних уља или животињских масти, укључује базно катализовану трансестерификацију масних киселина са метанолом или етанолом да би се добили одговарајући метил естри или етил естри. Ултразвуком се може постићи принос биодизела од преко 99%. Ултразвук значајно смањује време обраде и време раздвајања.
Кликните овде да прочитате више о ултразвучном потпомогнутој трансестерификацији уља у биодизел!

Ултразвучна дегазација и де-аерација течности

Дегазација течности је још једна важна примена ултразвучних апарата типа сонде. Ултразвучне вибрације и кавитација изазивају стапање растворених гасова у течности. Како се ситни мехурићи гаса спајају, они формирају веће мехуриће који брзо плутају на горњу површину течности, одакле се могу уклонити. Дакле, ултразвучно отплињавање и деаерација могу смањити ниво раствореног гаса испод природног нивоа равнотеже.
Кликните овде да прочитате више о ултразвучном дегазирању течности!

Ултразвучно чишћење жица, каблова и трака

Ултразвучно чишћење је еколошки прихватљива алтернатива за чишћење континуираних материјала, као што су жице и каблови, траке или цеви. Ефекат моћне ултразвучне кавитације уклања остатке подмазивања попут уља или масти, сапуна, стеарата или прашине са површине материјала. Хиелсцхер Ултрасоницс нуди различите ултразвучне системе за инлине чишћење континуираних профила.
Кликните овде за више информација о ултразвучном чишћењу континуираних профила!

Шта чини соникацију супериорном методом обраде?

Соникација, или употреба високофреквентних звучних таласа за агитацију течности, је ефикасан метод обраде из разних разлога. Ево неколико разлога зашто соникација високог интензитета и ниске фреквенције од прибл. 20кХз је посебно погодан и користан за обраду течности и муља:

1. кавитација: Један од главних механизама соникације је стварање и колапс ситних мехурића, феномен који се зове кавитација. На 20 кХз, звучни таласи су на правој фреквенцији за ефикасно стварање и колапс мехурића. Колапс ових мехурића производи ударне таласе високе енергије, који могу разбити честице и пореметити ћелије у течности која се обрађује ултразвуком.
2. Осцилације и вибрације: Поред генерисане акустичне кавитације, осциловање ултразвучне сонде ствара додатно мешање и мешање у течности, чиме се промовише пренос масе и/или дегазација.
3. Пенетрација: Звучни таласи на 20 кХз имају релативно дугу таласну дужину, што им омогућава да дубоко продиру 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 20 кХз може ефикасно да третира веће количине течности, у поређењу са ултразвучном обрадом веће фреквенције која има краће таласне дужине и може бити ограниченија у дубини продирања.
4. Ниска потрошња енергије: Соникација се може постићи уз релативно ниску потрошњу енергије у поређењу са другим методама обраде као што су хомогенизација под високим притиском или механичко мешање. То га чини енергетски ефикаснијим и исплативијим методом за обраду течности.
5. Линеарна скалабилност: Ултразвучни процеси се могу потпуно линеарно скалирати на веће или мање запремине. Ово чини прилагођавање процеса у производњи поузданим јер се квалитет производа може одржавати континуирано стабилним.
6. Пакетни и инлине ток: Ултрасоницатион се може изводити као серија или као континуирани инлине процеси. За соникацију серија, ултразвучна сонда се убацује у отворени суд или затворени реактор серије. За соникацију континуираног протока, уграђена је ултразвучна проточна ћелија. Течни медијум пролази сонотроду (ултразвучно вибрирајући штап) у једном пролазу или рециркулацији и веома је уједначен и ефикасан изложен ултразвучним таласима.

Све у свему, интензивне силе кавитације, ниска потрошња енергије и скалабилност процеса чине ултразвук ниске фреквенције и велике снаге ефикасним методом за обраду течности.

Принцип рада и употреба ултразвучне обраде

Ултразвук је комерцијална технологија обраде коју су усвојиле бројне индустрије за производњу великих размера. Висока поузданост и скалабилност, као и ниски трошкови одржавања и висока енергетска ефикасност чине ултразвучне процесоре добром алтернативом за традиционалну опрему за обраду течности. Ултразвук нуди додатне узбудљиве могућности: Кавитација – основни ултразвучни ефекат – даје јединствене резултате у биолошким, хемијским и физичким процесима. На пример, ултразвучна дисперзија и емулзификација лако производе стабилне формулације нано величине. Такође у области ботаничке екстракције, ултразвук је нетермална техника за изоловање биоактивних једињења.

Док се ултразвук ниског интензитета или високе фреквенције углавном користи за анализу, недеструктивно испитивање и снимање, ултразвук високог интензитета се користи за обраду течности и паста, где се интензивни ултразвучни таласи користе за мешање, емулговање, дисперговање и деагломерацију , дезинтеграцију ћелије или деактивацију ензима. Када ултразвучно обрађује течности високог интензитета, звучни таласи се шире кроз течне медије. Ово резултира наизменичним циклусима високог притиска (компресија) и ниског притиска (разређивање), са брзинама које зависе од фреквенције. Током циклуса ниског притиска, ултразвучни таласи високог интензитета стварају мале вакуумске мехуриће или празнине у течности. Када мехурићи достигну запремину при којој више не могу да апсорбују енергију, они се насилно срушавају током циклуса високог притиска. Овај феномен се назива кавитација. Током имплозије локално се постижу веома високе температуре (око 5.000 К) и притисци (приближно 2.000 атм). Имплозија кавитационог мехура такође резултира млазовима течности до 280 метара у секунди.

Ултразвучна кавитација у течностима може изазвати брзо и потпуно дегазовање; иницирају различите хемијске реакције генерисањем слободних хемијских јона (радикала); убрзати хемијске реакције олакшавањем мешања реактаната; појачавају реакције полимеризације и деполимеризације диспергујући агрегате или трајним разбијањем хемијских веза у полимерним ланцима; повећати стопе емулгирања; побољшати стопе дифузије; производе висококонцентроване емулзије или униформне дисперзије материјала микронске или нано-величине; помажу екстракцију супстанци као што су ензими из животињских, биљних, квасних или бактеријских ћелија; уклонити вирусе из зараженог ткива; и коначно, еродирају и разграђују осетљиве честице, укључујући микроорганизме. (уп. Кулдилоке 2002)

Ултразвук високог интензитета производи насилну агитацију у течностима ниске вискозности, које се могу користити за распршивање материјала у течностима. (цф. Енсмингер, 1988) На интерфејсу течност/чврсто или гас/чврсто стање, асиметрична имплозија кавитационих мехурића може изазвати екстремне турбуленције које смањују гранични слој дифузије, повећавају конвекцијски масени пренос и значајно убрзавају дифузију у системима у којима је уобичајено мешање није могуће. (уп. Ниборг, 1965)

Књижевност