Ultraljud: Tillämpningar och processer

Ultraljud är en mekanisk bearbetningsmetod som skapar akustisk kavitation och mycket intensiva fysiska krafter. Därför används ultraljud för många applikationer såsom blandning, homogenisering, malning, dispersion, emulgering, extraktion, avgasning och sonokemiska reaktioner.
Nedan kommer du att lära dig allt om typiska ultraljudsapplikationer och processer.

Homogenisering med ultraljud

Ultraljudshomogenisatorer minskar små partiklar i en vätska för att förbättra enhetlighet och dispersionsstabilitet. Partiklarna (dispergeringsfasen) kan vara fasta ämnen eller vätskedroppar suspenderade i en vätskefas. Ultraljudshomogenisering är mycket effektiv för reduktion av mjuka och hårda partiklar. Hielscher tillverkar ultraljudsapparater för homogenisering av någon vätskevolym och för batchvis eller inline-bearbetning. Ultraljudsapparater för laboratorier kan användas för volymer från 1,5 ml till ca 4 liter. Ultraljudsindustriella enheter kan bearbeta batcher från 0,5 till ca 2000L eller flödeshastigheter från 0,1L till 20 kubikmeter per timme i processutveckling och i kommersiell produktion.
Klicka här för att läsa mer om ultraljudshomogenisering!

Ultraljud dispergering och deagglomeration

Dispersion och deagglomerering av fasta ämnen till vätskor är en viktig tillämpning av ultraljudsapparater av sondtyp. Ultraljud / akustisk kavitation genererar höga skjuvkrafter som bryter partikelagglomerat till enskilda, enstaka dispergerade partiklar. Blandningen av pulver i vätskor är ett vanligt steg i formuleringen av olika produkter, såsom färg, lack, kosmetiska produkter, mat och dryck eller polermedel. De enskilda partiklarna hålls samman av attraktionskrafter av olika fysikaliska och kemiska natur, inklusive van-der-Waals-krafter och vätskans ytspänning. Ultraljud övervinner dessa attraktionskrafter för att deagglomerera och sprida partiklarna i flytande medier. För dispergering och deagglomerering av pulver i vätskor är högintensiv ultraljudsbehandling ett intressant alternativ till högtryckshomogenisatorer, högskjuvningsblandare, pärlkvarnar eller rotor-stator-blandare.
Klicka här för att läsa mer om ultraljudsdispersion och deagglomeration!

Ultraljud emulgering

Ett brett spektrum av mellan- och konsumentprodukter, såsom kosmetika och hudlotioner, farmaceutiska salvor, lacker, färger samt smörjmedel och bränslen är helt eller delvis baserade på emulsioner. Emulsioner är dispersioner av två eller flera oblandbara vätskefaser. Högintensivt ultraljud ger tillräckligt med intensiv skjuvning för att dispergera en vätskefas (dispergerad fas) i små droppar i en andra fas (kontinuerlig fas). I dispergeringszonen orsakar imploderande kavitationsbubblor intensiva chockvågor i den omgivande vätskan och resulterar i bildandet av vätskestrålar med hög vätskehastighet (hög skjuvning). Ultraljud kan anpassas exakt till målemulsionens storlek, vilket möjliggör tillförlitlig produktion av mikroemulsioner och nanoemulsioner.
Klicka här för att läsa mer om ultraljudsemulgering!

Ultraljud våtmalning och slipning

Ultraljud är ett effektivt medel för våtmalning och mikromalning av partiklar. I synnerhet för tillverkning av superfina uppslamningar har ultraljud många fördelar. Den är överlägsen traditionell storleksreduceringsutrustning, såsom: kolloidkvarnar (t.ex. kulkvarnar, pärlkvarnar), skivkvarnar eller jetkvarnar. Ultraljud kan bearbeta högkoncentrerade och högviskosa uppslamningar - därför minska volymen som ska bearbetas. Naturligtvis är ultraljudsfräsning lämplig för bearbetning av material i mikronstorlek och nanostorlek, såsom keramik, pigment, bariumsulfat, kalciumkarbonat eller metalloxider. Speciellt när det gäller nanomaterial, ultraljud utmärker sig i prestanda eftersom dess mycket effektfulla skjuvkrafter skapar enhetligt små nanopartiklar.
Klicka här för att läsa mer om ultraljudsvåtfräsning och mikromalning!

Spraytorkad TiO2 före och efter ultraljudsfräsning

Ultraljud cellupplösning och lys

Ultraljudsbehandling kan sönderdela fibröst, cellulosahaltigt material till fina partiklar och bryta väggarna i cellstrukturen. Detta frigör mer av det intracellulära materialet, såsom stärkelse eller socker, i vätskan. Denna effekt kan användas för jäsning, nedbrytning och andra omvandlingsprocesser av organiskt material. Efter malning och malning gör ultraljud mer av det intracellulära materialet, t.ex. stärkelse, samt cellväggsskräp tillgängligt för de enzymer som omvandlar stärkelse till sockerarter. Det ökar också ytan som utsätts för enzymerna under förvätskning eller försockring. Detta ökar vanligtvis hastigheten och utbytet av jästjäsning och andra omvandlingsprocesser, t.ex. för att öka etanolproduktionen från biomassa.
Klicka här för att läsa mer om ultraljudsupplösning av cellstrukturer!

Ultraljud extraktion av växter

Extraktionen av bioaktiva föreningar lagrade i celler och subcellulära partiklar är en allmänt använd tillämpning av högintensivt ultraljud. Ultraljud extraktion används för att isolera sekundära metaboliter (t.ex. polyfenoler), polysackarider, proteiner, eteriska oljor och andra aktiva ingredienser från den cellulära matrisen av växter och svampar. Lämplig för vatten- och lösningsmedelsextraktion av organiska föreningar, ultraljudsbehandling förbättrar utbytet av botaniska ämnen som finns i växter eller frön avsevärt. Ultraljudsextraktion används för produktion av läkemedel, nutraceuticals / kosttillskott, dofter och biologiska tillsatser. Ultraljud är en grön extraktionsteknik som också används för utvinning av bioaktiva komponenter i bioraffinaderier, t.ex. frigör värdefulla föreningar från icke-utnyttjade biproduktströmmar som bildas i industriella processer. Ultraljud är en mycket effektiv teknik för botanisk extraktion i labb- och produktionsskala.
Klicka här för mer information om ultraljud extraktion!

Sonokemisk tillämpning av ultraljud

Sonokemi är tillämpningen av ultraljud på kemiska reaktioner och processer. Mekanismen som orsakar sonokemiska effekter i vätskor är fenomenet akustisk kavitation. De sonokemiska effekterna på kemiska reaktioner och processer inkluderar ökning av reaktionshastighet eller produktion, effektivare energianvändning, prestandaförbättring av fasöverföringskatalysatorer, aktivering av metaller och fasta ämnen eller ökning av reaktiviteten hos reagenser eller katalysatorer.
Klicka här för att läsa mer om de sonokemiska effekterna av ultraljud!

Ultraljud transesterifiering av olja till biodiesel

Ultraljud ökar den kemiska reaktionshastigheten och utbytet av transesterifiering av vegetabiliska oljor och animaliska fetter till biodiesel. Detta gör det möjligt att ändra produktionen från batchbearbetning till kontinuerlig flödesbearbetning och det minskar investerings- och driftskostnaderna. En av de stora fördelarna med ultraljud biodiesel tillverkning är användningen av spilloljor såsom förbrukade matoljor och andra oljekällor av dålig kvalitet. Ultraljudstransesterifiering kan omvandla även lågkvalitativt råmaterial till högkvalitativ biodiesel (fettsyrametylester / FAME). Tillverkningen av biodiesel från vegetabiliska oljor eller animaliska fetter innebär baskatalyserad transesterifiering av fettsyror med metanol eller etanol för att ge motsvarande metylestrar eller etylestrar. Ultraljud kan uppnå en biodiesel utbyte på över 99%. Ultraljud minskar bearbetningstiden och separationstiden avsevärt.
Klicka här för att läsa mer om ultraljudsassisterad transesterifiering av olja till biodiesel!

Ultraljudsavgasning och avluftning av vätskor

Avgasning av vätskor är en annan viktig tillämpning av ultraljudsapparater av sondtyp. Ultraljudsvibrationer och kavitation orsakar sammansmältning av upplösta gaser i en vätska. När de små gasbubblorna smälter samman bildar de därmed större bubblor som snabbt flyter till vätskans övre yta, därifrån kan de avlägsnas. Således kan ultraljudsavgasning och avluftning minska nivån av upplöst gas under den naturliga jämviktsnivån.
Klicka här för att läsa mer om ultraljudsavgasning av vätskor!

Ultraljudsrengöring av tråd, kabel och remsa

Ultraljudsrengöring är ett miljövänligt alternativ för rengöring av kontinuerliga material, såsom tråd och kabel, tejp eller rör. Effekten av den kraftfulla ultraljudskavitationen tar bort smörjrester som olja eller fett, tvålar, stearater eller damm från materialytan. Hielscher Ultrasonics erbjuder olika ultraljudssystem för inline-rengöring av kontinuerliga profiler.
Klicka här för mer information om ultraljudsrengöring av kontinuerliga profiler!

Vad gör ultraljudsbehandling till en överlägsen bearbetningsmetod?

Ultraljudsbehandling, eller användning av högfrekventa ljudvågor för att röra om vätskor, är en effektiv bearbetningsmetod av olika skäl. Här är några skäl till varför ultraljudsbehandling vid hög intensitet och låg frekvens på ca 20kHz är särskilt effektfullt och fördelaktigt för bearbetning av vätskor och slam:

1. Kavitation: En av de viktigaste mekanismerna för ultraljudsbehandling är skapandet och kollapsen av små bubblor, ett fenomen som kallas kavitation. Vid 20 kHz har ljudvågorna precis rätt frekvens för att skapa och kollapsa bubblor effektivt. Kollapsen av dessa bubblor producerar chockvågor med hög energi, som kan bryta ner partiklar och störa celler i vätskan som sonikeras.
2. Oscillation och vibration: Förutom den genererade akustiska kavitationen skapar svängningen av ultraljudssonden ytterligare omrörning och blandning i vätskan, vilket främjar massöverföring och/eller avgasning.
3. Penetration: Ljudvågor vid 20 kHz har en relativt lång våglängd, vilket gör att de kan tränga djupt in i vätskor. Ultraljudskavitation är ett lokaliserat fenomen som uppträder i omgivningen av ultraljudssonden. Med ökande avstånd till sonden minskar kavitationsintensiteten. Emellertid, ultraljudsbehandling vid 20kHz kan effektivt behandla större volymer av vätska, jämfört med högre frekvens ultraljudsbehandling som har kortare våglängder och kan vara mer begränsad i sitt penetrationsdjup.
4. Låg energiförbrukning: Ultraljudsbehandling kan åstadkommas med relativt låg energiförbrukning jämfört med andra bearbetningsmetoder såsom högtryckshomogenisering eller mekanisk omrörning. Detta gör det till en mer energieffektiv och kostnadseffektiv metod för bearbetning av vätskor.
5. Linjär skalbarhet: Ultraljudsprocesser kan skalas helt linjärt till större eller mindre volymer. Detta gör processanpassningar i produktionen tillförlitliga eftersom produktkvaliteten kan hållas kontinuerligt stabil.
6. Batch- och infogat flöde: Ultraljud kan utföras som batch eller som kontinuerliga inline-processer. För ultraljudsbehandling av satser, ultraljudssonden sätts in i det öppna kärlet eller sluten satsreaktorn. För ultraljudsbehandling av en kontinuerlig flödesström installeras en ultraljudsflödescell. Det flytande mediet passerar sonotroden (ultraljudsvibrerande stav) i enkelpass eller recirkulation och är mycket enhetlig och effektiv utsatt för ultraljudsvågorna.

Sammantaget, de intensiva krafterna av kavitation, låg energiförbrukning, och processens skalbarhet gör lågfrekvent, högeffekt ultraljudsbehandling en effektiv metod för bearbetning av vätskor.

Arbetsprincip och användning av ultraljudsbehandling

Ultraljud är en kommersiell bearbetningsteknik, som har antagits av många industrier för storskalig produktion. Hög tillförlitlighet och skalbarhet samt låga underhållskostnader och hög energieffektivitet gör ultraljudsprocessorer till ett bra alternativ för traditionell vätskebearbetningsutrustning. Ultraljud erbjuder ytterligare spännande möjligheter: Kavitation – den grundläggande ultraljudseffekten – ger unika resultat i biologiska, kemiska och fysikaliska processer. Till exempel producerar ultraljudsdispersion och emulgering lätt stabila formuleringar i nanostorlek. Även inom området botanisk extraktion är ultraljud en icke-termisk teknik för att isolera bioaktiva föreningar.

Medan ultraljud med låg intensitet eller hög frekvens huvudsakligen används för analys, icke-destruktiv testning och avbildning, används ultraljud med hög intensitet för bearbetning av vätskor och pastor, där intensiva ultraljudsvågor används för blandning, emulgering, dispergering och deagglomerering, cellupplösning eller enzyminaktivering. Vid ultraljudsbehandling av vätskor vid höga intensiteter fortplantar sig ljudvågorna genom det flytande mediet. Detta resulterar i omväxlande högtryckscykler (kompression) och lågtryckscykler (sällsynthet), med hastigheter beroende på frekvensen. Under lågtryckscykeln skapar högintensiva ultraljudsvågor små vakuumbubblor eller hålrum i vätskan. När bubblorna når en volym där de inte längre kan absorbera energi, kollapsar de våldsamt under en högtryckscykel. Detta fenomen kallas kavitation. Under implosionen uppnås mycket höga temperaturer (ca 5 000 K) och tryck (ca 2 000 atm) lokalt. Implosionen av kavitationsbubblan resulterar också i vätskestrålar med en hastighet på upp till 280 meter per sekund.

Ultraljudskavitation i vätskor kan orsaka snabb och fullständig avgasning; initiera olika kemiska reaktioner genom att generera fria kemiska joner (radikaler); påskynda kemiska reaktioner genom att underlätta blandningen av reaktanter; förbättra polymerisations- och depolymerisationsreaktioner genom att dispergera aggregat eller genom att permanent bryta kemiska bindningar i polymerkedjor; öka emulgeringshastigheterna; förbättra diffusionshastigheterna; producera högkoncentrerade emulsioner eller enhetliga dispersioner av material i mikron- eller nanostorlek, hjälpa till med extraktion av ämnen som enzymer från animaliska, växt-, jäst- eller bakterieceller; avlägsna virus från infekterad vävnad; och slutligen, erodera och bryta ner mottagliga partiklar, inklusive mikroorganismer. (jfr Kuldiloke 2002)

Ultraljud med hög intensitet producerar våldsam omrörning i vätskor med låg viskositet, som kan användas för att dispergera material i vätskor. (jfr Ensminger, 1988) Vid gränsytor mellan vätska/fast ämne eller gas/fast ämne kan den asymmetriska implosionen av kavitationsbubblor orsaka extrem turbulens som minskar diffusionsgränsskiktet, ökar konvektionsmassöverföringen och avsevärt påskyndar diffusionen i system där vanlig blandning inte är möjlig. (jfr Nyborg, 1965)

Litteratur