Ultraljud är en mekanisk bearbetningsmetod som skapar akustisk kavitation och mycket intensiva fysiska krafter. Därför används ultraljud för många applikationer såsom blandning, homogenisering, fräsning, dispersion, emulgering, extraktion, avgasning och sono-kemiska reaktioner.
Nedan lär du dig allt om typiska ultraljudsapplikationer och processer.

Ultraljud homogenisering

Ultraljud homogenisatorer minska små partiklar i en vätska för att förbättra enhetlighet och dispersionsstabilitet. Partiklarna (dispergeringsfasen) kan vara fasta ämnen eller vätskedroppar suspenderade i en vätskefas. Ultraljud homogenisering är mycket effektiv för minskning av mjuka och hårda partiklar. Hielscher tillverkar ultrasonicators för homogenisering av någon flytande volym och för batch eller inline bearbetning. Ultraljudsenheter i laboratorium kan användas för volymer från 1,5 ml till cirka 4 liter. Ultraljud industriella enheter kan bearbeta satser 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 ultraljud homogenisering!

Ultrasonic dispergering och Deagglomeration

Dispersion och deagglomeration av fasta ämnen i vätskor är en viktig tillämpning av sond-typ ultrasonicators. Ultraljud / akustisk kavitation genererar höga skjuvkrafter som bryter partikelagglomerat i 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 poleringsmedier. De enskilda partiklarna hålls samman av attraktionskrafter av olika fysikalisk och kemisk natur, inklusive van-der-Waals-krafter och flytande ytspänning. Ultraljud övervinner dessa attraktionskrafter för att deagglomerera och sprida partiklarna i flytande media. För spridning och deagglomeration av pulver i vätskor är högintensiv ultraljud ett intressant alternativ till högtryckshomogenisatorer, högskjuvningsblandare, pärlkvarnar eller rotor-stator-blandare.
Klicka här för att läsa mer om ultraljud spridning och deagglomeration!

Ultraljud emulgering

Ett brett utbud av mellan- och konsumentprodukter, såsom kosmetika och hudlotioner, farmaceutiska salvor, lacker, färger och smörjmedel och bränslen, baseras helt eller delvis på emulsioner. Emulsioner är dispersioner av två eller flera oblandbara vätskefaser. Högintensiv ultraljud ger tillräckligt intensiv skjuvning för att sprida 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 flytande strålar med hög vätskehastighet (hög skjuvning). Ultraljud kan anpassas exakt till målet emulsion storlek möjliggör därmed tillförlitlig produktion av mikroemulsioner och nano-emulsioner.
Klicka här för att läsa mer om ultraljud emulgering!

Ultraljud våt-fräsning och slipning

Ultraljud är ett effektivt medel för våtfräsning och mikroslipning av partiklar. I synnerhet för tillverkning av superfina uppslamningar har ultraljud många fördelar. Det är överlägset traditionell storleksreduktionsutrustning, såsom: kolloidkvarnar (t.ex. kulkvarnar, pärlkvarnar), skivkvarnar eller jetkvarnar. Ultraljud kan bearbeta uppslamningar med hög koncentration och hög viskositet – vilket minskar 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 utmärker sig ultraljud i prestanda eftersom dess mycket effektfulla skjuvkrafter skapar enhetligt små nanopartiklar.
Klicka här för att läsa mer om ultraljud våt fräsning och mikro-slipning!

Ultraljud cell sönderdelning och lys

Ultraljud behandling kan sönderfalla fibrösa, cellulosa material i 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, matsmältning och andra omvandlingsprocesser av organiskt material. Efter fräsning och slipning gör ultraljud mer av det intracellulära materialet, t.ex. stärkelse samt cellväggsskräp som är tillgängligt för de enzymer som omvandlar stärkelse till sockerarter. Det ökar också ytan som exponeras för enzymerna under kondensering eller sackarifiering. Detta ökar vanligtvis hastigheten och utbytet av jästfermentering och andra omvandlingsprocesser, t.ex.
Klicka här för att läsa mer om ultraljud desinfiering av cell strukturer!

ultraljud utvinning av botaniska

Extraktionen av bioaktiva föreningar lagrade i celler och subcellulära partiklar är en allmänt använd tillämpning av högintensiv ultraljud. Ultraljud utvinning 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 lösningsmedel-extraktion av organiska föreningar, ultraljudsbehandling förbättrar utbytet av växter eller frön betydligt. Ultraljud utvinning 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. frigöra värdefulla föreningar från icke-utnyttjade biproduktströmmar som bildas i industriella processer. Ultraljud är en mycket effektiv teknik för botanisk utvinning i labb och produktionsskala.
Klicka här för mer information om ultraljud utvinning!

Sonochemical tillämpning av Ultrasonics

Sonochemistry 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 ökad reaktionshastighet eller reaktionseffekt, effektivare energiförbrukning, prestandaförbättring av fasöverföringskatalysatorer, aktivering av metaller och fasta ämnen eller ökad reaktivitet hos reagenser eller katalysatorer.
Klicka här för att läsa mer om sonochemical effekterna av ultraljud!

Ultraljud transesterifiering av olja till bio diesel

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 flödesbehandling och det minskar investerings- och driftskostnaderna. En av de största fördelarna med ultraljud biodiesel tillverkning är användningen av spilloljor såsom förbrukade matoljor och andra oljekällor av dålig kvalitet. Ultraljud transesterifiering kan omvandla även låg kvalitet råvara till hög kvalitet biodiesel (fettsyra metylester / FAME). Tillverkning 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 avkastning över 99%. Ultraljud minskar behandlingstiden och separationstiden avsevärt.
Klicka här för att läsa mer om ultraljud assisterad transesterifiering av olja till bio diesel!

Ultraljud avgasning och luftning av vätskor

Avgasning av vätskor är en annan viktig tillämpning av sond-typ ultrasonicators. Ultraljud vibrationer och kavitation orsakar koalescens av upplösta gaser i en vätska. När de små gasbubblorna samlas bildar de därmed större bubblor som flyter snabbt till vätskans övre yta därifrån de kan tas bort. Således kan ultraljud avgasning och avluftning minska nivån av upplöst gas under den naturliga jämviktsnivån.
Klicka här för att läsa mer om ultraljud avgasning av vätskor!

Ultraljud Wire, kabel och Strip rengöring

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 en överlägsen bearbetningsmetod?

Ultraljudsbehandling, eller användningen av högfrekventa ljudvågor för att agitera vätskor, är en effektiv bearbetningsmetod av olika skäl. Här är några anledningar till varför ultraljudsbehandling vid hög intensitet och låg frekvens på ca. 20kHz är särskilt effektfull och fördelaktig för bearbetning av vätskor och uppslamningar:

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 ger chockvågor med hög energi, som kan bryta ner partiklar och störa celler i vätskan som sonikeras.
2. Oscillation och vibrationer: Förutom den genererade akustiska kavitationen skapar oscillationen av ultraljudssonden ytterligare agitation 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. Ultraljud kavitation är ett lokaliserat fenomen som förekommer i omgivningen av ultraljudssonden. Med ökande avstånd till sonden minskar kavitationsintensiteten. Ultraljudsbehandling vid 20kHz kan dock effektivt behandla större volymer vätska, jämfört med högre frekvens ultraljudsbehandling som har kortare våglängder och kan vara mer begränsad i dess 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: Ultraljud processer kan skalas helt linjärt till större eller mindre volymer. Detta gör processanpassningar i produktionen tillförlitliga eftersom produktkvaliteten kan upprätthållas kontinuerligt stabil.
6. Batch- och inline-flöde: Ultraljud kan utföras som batch eller som kontinuerlig inline processer. För ultraljudsbehandling av partier, ultraljudssonden sätts in i det öppna kärlet eller sluten sats reaktor. För ultraljudsbehandling av en kontinuerlig flödesström installeras en ultraljudsflödescell. Det flytande mediet passerar sonotroden (ultraljud vibrerande stav) i enstaka pass eller recirkulation och är mycket enhetlig och effektiv utsatt för ultraljudsvågorna.

Sammantaget gör de intensiva krafterna av kavitation, låg energiförbrukning och processskalbarhet lågfrekvent, hög effekt ultraljudsbehandling en effektiv metod för bearbetning av vätskor.

Arbetsprincip och användning av ultraljud bearbetning

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

Medan lågintensiv eller högfrekvent ultraljud huvudsakligen används för analys, icke-destruktiv testning och avbildning, används högintensiv ultraljud för bearbetning av vätskor och pastor, där intensiva ultraljudsvågor används för blandning, emulgering, dispergering och deagglomeration, cellupplösning eller enzymdeaktivering. Vid ultraljudsbehandling av vätskor vid höga intensiteter sprids ljudvågorna genom det flytande mediet. Detta resulterar i alternerande högtryckscykler (kompression) och lågtryckscykler (sällsynthet), med hastigheter beroende på frekvensen. Under lågtryckscykeln skapar högintensiva ultraljudsvågor små vakuumbubblor eller tomrum i vätskan. När bubblorna uppnår 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 ton) lokalt. Implosionen av kavitationsbubblan resulterar också i flytande strålar på upp till 280 meter per sekund hastighet.

Ultraljud kavitation 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 polymera kedjor; öka emulgeringshastigheterna; förbättra diffusionshastigheterna; producera högkoncentrerade emulsioner eller likformiga dispersioner av material i mikronstorlek eller nanostorlek; hjälpa till att extrahera ämnen som enzymer från djur-, växt-, jäst- eller bakterieceller; ta bort virus från infekterad vävnad; och slutligen erodera och bryta ner mottagliga partiklar, inklusive mikroorganismer. (jfr Kuldiloke 2002)

Högintensiv ultraljud ger våldsam omrörning i vätskor med låg viskositet, som kan användas för att sprida material i vätskor. (jfr Ensminger, 1988) Vid flytande / fasta eller gas / fasta gränssnitt kan den asymmetriska implosionen av kavitationsbubblor orsaka extrema turbulenser som minskar diffusionsgränsskiktet, ökar konvektionsmassöverföringen och avsevärt påskyndar diffusion i system där vanlig blandning inte är möjlig. (jfr Nyborg, 1965)

Litteratur

• 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).