Användning av effektultraljud med ultraljudshorn

Ultraljudshorn eller ultraljudssonder används i stor utsträckning för många olika tillämpningar inom vätskebearbetning, bland annat homogenisering, dispergering, våtmalning, emulgering, extraktion, sönderdelning, upplösning och avluftning. Lär dig grunderna om ultraljudshorn, ultraljudssonder och deras tillämpningar.

Ultraljudshorn jämfört med ultraljudssond

Termerna ultraljudshorn och ultraljudssond används ofta som synonymer och avser den ultraljudsstav som överför ultraljudsvågorna till vätskan. Andra termer som används för ultraljudssonden är akustiskt horn, sonotrod, akustisk vågledare eller ultraljudsfinger. Tekniskt sett finns det dock en skillnad mellan ett ultraljudshorn och en ultraljudssond.
Både horn och sond avser delar av en så kallad ultraljudsapparat av sondtyp. Ultraljudshornet är den metalldel av ultraljudsomvandlaren som sätts i svängning genom piezoelektriskt genererade vibrationer. Ultraljudshornet vibrerar med en viss frekvens, t.ex. 20kHz, vilket innebär 20 000 vibrationer per sekund. Titan är det föredragna materialet för tillverkning av ultraljudshorn tack vare sina utmärkta akustiska överföringsegenskaper, sin höga utmattningshållfasthet och sin ythårdhet.

Ultraljudssonden kallas även sonotrod eller ultraljudsfinger. Det är en metallstav, oftast tillverkad av titan, som är fastskruvad i ultraljudshornet. Ultraljudssonden är en väsentlig del av ultraljudsprocessorn och överför ultraljudsvågorna till det ultraljudsbehandlade mediet. Ultraljudssonder / sonotroder finns i olika former, t.ex. koniska, spetsiga, avsmalnande eller som Cascatrode. Även om titan är det vanligaste materialet för ultraljudssonder finns det också sonotroder av rostfritt stål, keramik, glas och andra material.

Eftersom ultraljudshornet och sonden ständigt utsätts för tryck- eller dragbelastning under ultraljudsbehandlingen är materialvalet för horn och sond avgörande. Högkvalitativ titanlegering (grad 5) anses vara den mest tillförlitliga, hållbara och effektiva metallen för att motstå påfrestningar, upprätthålla höga amplituder under långa tidsperioder och överföra de akustiska och mekaniska egenskaperna.

Upplösning är en vanlig tillämpning för ultraljudsbehandling. Videon visar snabb upplösning av sockerkristaller i vatten med Hielscher UP200St.

Högpresterande ultraljudsapparater arbetar oftast i frekvensområdet 20–30kHz. Vid 20 kHz är ultraljudssonden vanligen en resonansstav med en längd som motsvarar en halv våglängd och som kontinuerligt utvidgas och dras samman 20 000 gånger per sekund. Utvidgnings- och sammandragningsrörelserna överförs som högeffektsultraljud till processmediet, dvs. vätskan eller slurryn, för att utföra tillämpningar såsom

• ultraljudsblandning med höga skjuvkrafter
• våtmalning med ultraljud
• dispergering av nanopartiklar med ultraljud
• nanoemulgering med ultraljud
• extraktion med ultraljud
• sönderdelning med ultraljud
• cellsönderdelning och lys med ultraljud
• avgasning och avluftning med ultraljud
• sonokemi (sonosyntes, sonokatalys)

Hur fungerar effektultraljud? – Funktionsprincipen för akustisk kavitation

För högpresterande ultraljudstillämpningar såsom homogenisering, partikelstorleksminskning, sönderdelning eller nanodispersioner genereras högintensivt, lågfrekvent ultraljud av en ultraljudsomvandlare och överförs till en vätska via ultraljudshorn och sond (sonotrod). Som högeffektsultraljud räknas ultraljud inom området 16–30kHz. Ultraljudssonden utvidgas och dras samman, t.ex. vid 20kHz, och överför därmed 20 000 vibrationer per sekund till mediet. När ultraljudsvågorna färdas genom vätskan skapar växlande högtrycks- (kompression) / lågtryckscykler (förtunning / expansion) mycket små hålrum (vakuumbubblor), som växer under flera tryckcykler. Under vätskans och bubblornas kompressionsfas är trycket positivt, medan förtunningsfasen skapar ett vakuum (negativt tryck). Under kompressions- och expansionscyklerna växer hålrummen i vätskan tills de når en storlek där de inte kan absorbera mer energi. Då imploderar de våldsamt. Implosionen av dessa hålrum ger upphov till olika mycket energirika effekter som är kända som fenomenet akustisk kavitation / ultraljudskavitation. Akustisk kavitation kännetecknas av många olika mycket energirika effekter som påverkar vätskor, fastfas/vätskesystem och gas/vätskesystem. Den energitäta zonen eller kavitationszonen kallas en så kallad hot spot-zon, där energitätheten är högst i ultraljudssondens omedelbara närhet och avtar med ökande avstånd från sonotroden. De främsta kännetecknen för ultraljudskavitation är lokalt förekommande mycket höga temperaturer och tryck samt motsvarande temperatur- och tryckskillnader, turbulens och vätskeströmning. Under implosionen av ultraljudsgenererade hålrum i ultraljudets hot spots kan temperaturer på upp till 5000 kelvin, tryck på upp till 200 atmosfärer och vätskestrålar med hastigheter på upp till 1000km/h uppmätas. Dessa enastående energiintensiva förhållanden bidrar till sonomekaniska och sonokemiska effekter som intensifierar processer och kemiska reaktioner på olika sätt.
Ultraljudsbehandlingens huvudsakliga effekter på vätskor och slurry är följande:

• Höga skjuvkrafter: Höga skjuvkrafter från ultraljud bryter upp vätskor och vätske-fastfassystem och orsakar intensiv omrörning, homogenisering och massöverföring.
• Stötverkan: Vätskestrålar och strömningar som genereras av ultraljudskavitation accelererar fasta partiklar i vätskor, vilket därefter leder till kollisioner mellan partiklarna. När partiklar kolliderar vid mycket höga hastigheter eroderas de, splittras och finmals och findispergeras, ofta ned till nanostorlek. För biologiskt material såsom växtmaterial bryter de snabba vätskestrålarna och de växlande tryckcyklerna sönder cellväggarna och frigör det intracellulära materialet. Detta leder till mycket effektiv extraktion av bioaktiva föreningar och homogen blandning av biologiskt material.
• Omrörning: Ultraljudsbehandling orsakar intensiv turbulens, skjuvkrafter och mikrorörelser i vätskan eller slurryn. Därmed intensifierar ultraljudsbehandling alltid massöverföringen och påskyndar därigenom reaktioner och processer.

Ultraljudshomogenisatorer och blandare med höga skjuvkrafter används inom nästan alla processindustrier som arbetar med vätskor eller slurry. De intensiva kavitationskrafterna från ultraljud skapar intensiv omrörning, skjuvning, partikelbrott och massöverföring. Därigenom homogeniseras, dispergeras, emulgeras, extraheras och löses vätskor upp och/eller kemiska reaktioner initieras. Sammantaget är ultraljudsbehandling en metod för processintensifiering som ökar utbytet, förbättrar omsättningsgraderna och gör processerna effektivare.
Vanliga industriella ultraljudstillämpningar finns inom många grenar av livsmedels- och läkemedelsindustrin, finkemi, energi och petrokemi, återvinning, bioraffinaderier osv. och omfattar följande:

• biodieselsyntes med ultraljud
• homogenisering av fruktjuicer med ultraljud
• framställning av vacciner med ultraljud
• återvinning av litiumjonbatterier med ultraljud
• syntes av nanomaterial med ultraljud
• formulering av läkemedel med ultraljud
• nanoemulgering av CBD med ultraljud
• extraktion av växtmaterial med ultraljud
• provberedning med ultraljud i laboratorier
• avgasning av vätskor med ultraljud
• avsvavling av råolja med ultraljud
• och många fler …

Ultraljudshorn och sonder för högpresterande tillämpningar

Hielscher Ultrasonics är en tillverkare och distributör med lång erfarenhet av högeffektsultraljudsapparater, som används världen över för krävande tillämpningar inom många industrier.
Med ultraljudsprocessorer i alla storlekar från 50 watt till 16kW per enhet, sonder i olika storlekar och former samt ultraljudsreaktorer med olika volymer och geometrier har Hielscher Ultrasonics rätt utrustning för att konfigurera den idealiska ultraljudsanläggningen för din tillämpning.
Tabellen nedan ger en indikation på våra ultraljudsapparaters ungefärliga bearbetningskapacitet: