Ultraljudsbehandling av vätskor, suspensioner och kemiska reaktioner
Ultraljudsbehandling är en mekanisk bearbetningsmetod som skapar akustisk kavitation och mycket intensiva fysikaliska krafter. Därför används ultraljud för många tillämpningar såsom blandning, homogenisering, malning, dispergering, emulgering, extraktion, avgasning och sonokemiska reaktioner.
Hitta din tillämpning i tabellen nedan, klicka på länken och gå direkt till den process du är intresserad av! Läs om hur ultraljudsbehandling förbättrar processen och dess effektivitet.
| Tillämpning | Bäst för |
|---|---|
| Homogenisering | Att skapa enhetliga suspensioner, emulsioner och vätskeblandningar |
| Dispergering och deagglomerering | Att bryta upp partikelagglomerat och fördela fasta ämnen jämnt i vätskor |
| Emulgering | Att framställa stabila mikro- och nanoemulsioner med små droppstorlekar |
| Våtmalning | Att finfördela partiklar till mikro- och nanostorlek i vätskesuspensioner |
| Celldesintegration och lys | Sönderdelning av däggdjurs-, växt-, bakterie-, alg- och jästceller som ett preanalytiskt provberedningssteg. |
| Extraktion | Att utvinna bioaktiva föreningar, oljor, proteiner och naturliga extrakt |
| Sonokemi | Att påskynda kemiska reaktioner och förbättra processeffektiviteten |
| Biodieselproduktion | Att intensifiera transesterifiering och förkorta reaktionstider |
| Avgasning och avskumning | Att avlägsna lösta gaser och innesluten luft från vätskor |
| Inline-rengöring av tråd och profiler | Inline-rengöring av tråd, kablar, band, rör och profiler |
| Akustisk kavitation | Att förstå den fysikaliska principen bakom ultraljudsbehandling |
Har du en specifik tillämpning eller volym i åtanke?
Kontakta våra applikationsingenjörer för kostnadsfri processrådgivning eller begär en demonstration.
UIP1000hdT är en kraftfull ultraljudsapparat på 1000 watt för homogenisering, malning och extraktion.
Ultraljudshomogenisering
Ultraljudshomogenisatorer minskar storleken på små partiklar i en vätska för att förbättra enhetligheten och dispersionens stabilitet. Partiklarna (den dispergerade fasen) kan vara fasta ämnen eller vätskedroppar suspenderade i en vätskefas. Ultraljudshomogenisering är mycket effektiv för storleksreduktion av mjuka och hårda partiklar. Hielscher tillverkar ultraljudsapparater för homogenisering av alla vätskevolymer och för satsvis behandling eller inline-behandling. Ultraljudsapparater för laboratorier kan användas för volymer från 1,5mL till cirka 4L. Industriella ultraljudsapparater kan bearbeta satser från 0,5 till cirka 2000L eller flöden från 0,1L till 20 kubikmeter per timme inom processutveckling och kommersiell produktion.
Upptäck kraften i ultraljudshomogenisering!
Dispergering och deagglomerering med ultraljud
Dispergering och deagglomerering av fasta ämnen i vätskor är en viktig tillämpning för sondbaserade ultraljudsapparater. Ultraljudskavitation / akustisk kavitation genererar höga skjuvkrafter som bryter upp partikelagglomerat till enskilda, separat dispergerade partiklar. Inblandning av pulver i vätskor är ett vanligt steg vid formulering av olika produkter, såsom färg, lack, kosmetiska produkter, livsmedel och drycker eller polermedel. De enskilda partiklarna hålls samman av attraktionskrafter av olika fysikalisk och kemisk natur, däribland van der Waals-krafter och vätskans ytspänning. Ultraljudsbehandling övervinner dessa attraktionskrafter för att deagglomerera och dispergera partiklarna i vätskemedier. För dispergering och deagglomerering av pulver i vätskor är högintensiv ultraljudsbehandling ett intressant alternativ till högtryckshomogenisatorer, blandare med hög skjuvning, pärlkvarnar eller rotor-statorblandare.
Få fördjupad information om dispergering och deagglomerering med ultraljud!
Ultraljudsemulgering
Ett brett utbud av mellanprodukter och konsumentprodukter, såsom kosmetika och hudlotioner, farmaceutiska salvor, lacker, färger, smörjmedel och bränslen, är helt eller delvis baserade på emulsioner. Emulsioner är dispersioner av två eller flera oblandbara vätskefaser. Högintensivt ultraljud ger tillräckligt kraftig skjuvning för att dispergera en vätskefas (dispergerad fas) i små droppar i en andra fas (kontinuerlig fas). I dispergeringszonen orsakar imploderande kavitationsbubblor intensiva stötvågor i den omgivande vätskan och leder till att vätskestrålar med hög hastighet bildas (kraftig skjuvning). Ultraljudsbehandlingen kan anpassas exakt till den önskade droppstorleken i emulsionen, vilket möjliggör tillförlitlig framställning av mikroemulsioner och nanoemulsioner.
Klicka här för att läsa mer om emulgering med ultraljud!
Våtmalning och finmalning med ultraljud
Ultraljudsbehandling är en effektiv metod för våtmalning och mikromalning av partiklar. Ultraljud har många fördelar, särskilt vid framställning av suspensioner med superfin partikelstorlek. Det är överlägset traditionell utrustning för storleksreduktion, såsom kolloidkvarnar (t.ex. kulkvarnar och pärlkvarnar), skivkvarnar eller strålkvarnar. Ultraljudsbehandling kan bearbeta suspensioner med hög koncentration och hög viskositet – vilket minskar den volym som behöver bearbetas. Ultraljudsmalning är naturligtvis lämplig för bearbetning av material i mikro- och nanostorlek, såsom keramer, pigment, bariumsulfat, kalciumkarbonat eller metalloxider. Särskilt när det gäller nanomaterial ger ultraljudsbehandling enastående prestanda, eftersom dess mycket kraftfulla skjuvkrafter skapar jämnt små nanopartiklar.
Läs mer om våtmalning och mikromalning med ultraljud!
Spraytorkad TiO2 före och efter ultraljudsmalning
Celldesintegrering och lys med ultraljud
Ultraljudsbehandling kan sönderdela fibröst, cellulosahaltigt material till fina partiklar och bryta sönder cellstrukturens väggar. Detta frigör mer av det intracellulära materialet, såsom stärkelse eller socker, till vätskan. Denna effekt kan användas för fermentering, rötning och andra omvandlingsprocesser av organiskt material. Efter malning och finmalning gör ultraljudsbehandling mer av det intracellulära materialet, t.ex. stärkelse, samt cellväggsrester tillgängliga för de enzymer som omvandlar stärkelse till sockerarter. Den ökar också den yta som exponeras för enzymerna under förvätskning eller försockring. Detta ökar vanligtvis hastigheten och utbytet vid jästfermentering och andra omvandlingsprocesser, t.ex. för att öka etanolproduktionen från biomassa.
Läs mer om desintegrering av cellstrukturer med ultraljud!
Ultraljudsextraktion av växtmaterial
Extraktion av bioaktiva föreningar som lagras i celler och subcellulära partiklar är ett utbrett användningsområde för högintensivt ultraljud. Ultraljudsextraktion används för att isolera sekundära metaboliter (t.ex. polyfenoler), polysackarider, proteiner, eteriska oljor och andra aktiva ämnen från växters och svampars cellmatris. Ultraljudsbehandling lämpar sig för extraktion av organiska föreningar med vatten och lösningsmedel och förbättrar avsevärt utbytet av växtämnen som finns i växter eller frön. Ultraljudsextraktion används för framställning av läkemedel, nutraceutika / kosttillskott, doftämnen och biologiska tillsatser. Ultraljud är en miljövänlig extraktionsteknik som även används för extraktion av bioaktiva komponenter i bioraffinaderier, t.ex. för att frigöra värdefulla föreningar från outnyttjade biproduktströmmar som bildas i industriella processer. Ultraljudsbehandling är en mycket effektiv teknik för extraktion av växtmaterial i laboratorie- och produktionsskala.
Utforska fördelarna med ultraljudsextraktion!
Ultraljudsreaktor med 16 000 watt för ultraljudsförstärkt vätskebearbetning.
Sonokemisk tillämpning av ultraljud
Sonokemi är användningen av ultraljud för kemiska reaktioner och processer. Mekanismen som orsakar sonokemiska effekter i vätskor är fenomenet akustisk kavitation. De sonokemiska effekterna på kemiska reaktioner och processer omfattar ökad reaktionshastighet eller ökat utbyte, effektivare energianvändning, förbättrad prestanda hos fasöverföringskatalysatorer, aktivering av metaller och fasta ämnen eller ökad reaktivitet hos reagenser eller katalysatorer.
Utforska ultraljudets sonokemiska effekter!
Ultraljudsomförestring av (spill)olja till biodiesel
Ultraljudsbehandling ökar den kemiska reaktionshastigheten och utbytet vid omförestring av vegetabiliska oljor och animaliska fetter till biodiesel. Detta gör det möjligt att ställa om produktionen från satsvis bearbetning till kontinuerlig flödesbearbetning och minskar investerings- och driftskostnaderna. En av de stora fördelarna med ultraljudsbaserad biodieseltillverkning är användningen av spilloljor såsom förbrukade matoljor och andra oljeråvaror av låg kvalitet. Ultraljudsomförestring kan omvandla även råvara av låg kvalitet till biodiesel av hög kvalitet (fettsyrametylester / FAME). Tillverkningen av biodiesel från vegetabiliska oljor eller animaliska fetter innefattar baskatalyserad omförestring av fettsyror med metanol eller etanol för att ge motsvarande metylestrar eller etylestrar. Ultraljudsbehandling kan ge ett biodieselutbyte på över 99%. Ultraljud minskar bearbetningstiden och separationstiden avsevärt.
Klicka här för att läsa mer om ultraljudsassisterad omförestring av olja till biodiesel!
Avgasning, avluftning och skumdämpning av vätskor med ultraljud
Avgasning av vätskor är ett annat viktigt användningsområde för ultraljudsapparater av sondtyp. Ultraljudsvibrationer och kavitation får lösta gaser i en vätska att koalescera. När de mycket små gasbubblorna koalescerar bildar de större bubblor som snabbt stiger till vätskans yta, där de kan avlägsnas. På så sätt kan avgasning och avluftning med ultraljud sänka halten löst gas under den naturliga jämviktsnivån.
Klicka här för att läsa mer om avgasning av vätskor med ultraljud!
Rengöring av tråd, kabel och band med ultraljud
Ultraljudsrengöring är ett miljövänligt alternativ för rengöring av kontinuerliga material såsom tråd och kabel, band eller rör. Effekten av den kraftfulla ultraljudskavitationen avlägsnar smörjmedelsrester såsom olja eller smörjfett, tvålar, stearater eller damm från materialets yta. Hielscher Ultrasonics erbjuder olika ultraljudssystem för inline-rengöring av kontinuerliga profiler.
Klicka här för mer information om ultraljudsrengöring av kontinuerliga profiler!
Kontakta oss! / Fråga oss!
Vad gör ultraljudsbehandling till en överlägsen bearbetningsmetod?
Ultraljudsbehandling, det vill säga användning av högfrekventa ljudvågor för att sätta vätskor i rörelse, är en effektiv bearbetningsmetod av flera skäl. Här är några skäl till att ultraljudsbehandling med hög intensitet och låg frekvens på cirka 20kHz är särskilt verkningsfull och fördelaktig vid bearbetning av vätskor och slurry:
- Kavitation: En av ultraljudsbehandlingens huvudsakliga mekanismer är bildandet och kollapsen av mycket små bubblor, ett fenomen som kallas kavitation. Vid 20kHz har ljudvågorna precis rätt frekvens för att effektivt skapa bubblor och få dem att kollapsa. När dessa bubblor kollapsar uppstår energirika stötvågor som kan bryta ned partiklar och sönderdela celler i den vätska som ultraljudsbehandlas.
- Oscillation och vibration: Utöver den akustiska kavitation som genereras skapar ultraljudssondens oscillation ytterligare rörelse och blandning i vätskan, vilket främjar massöverföring och/eller avgasning.
- Inträngning: Ljudvågor vid 20kHz har en relativt lång våglängd, vilket gör att de kan tränga djupt in i vätskor. Ultraljudskavitation är ett lokalt fenomen som uppstår i ultraljudssondens omgivning. Med ökande avstånd till sonden minskar kavitationsintensiteten. Ultraljudsbehandling vid 20kHz kan dock effektivt behandla större vätskevolymer jämfört med ultraljudsbehandling vid högre frekvenser, som har kortare våglängder och kan ha ett mer begränsat inträngningsdjup.
- Låg energiförbrukning: Ultraljudsbehandling kan utföras med relativt låg energiförbrukning jämfört med andra bearbetningsmetoder, såsom högtryckshomogenisering eller mekanisk omrörning. Detta gör den till en mer energieffektiv och kostnadseffektiv metod för bearbetning av vätskor.
- Linjär skalbarhet: Ultraljudsprocesser kan skalas helt linjärt till större eller mindre volymer. Detta gör processanpassningar i produktionen tillförlitliga, eftersom produktkvaliteten kan hållas kontinuerligt stabil.
- Satsvis bearbetning och inlineflöde: Ultraljudsbehandling kan utföras satsvis eller som kontinuerliga inlineprocesser. Vid ultraljudsbehandling av satser förs ultraljudssonden in i det öppna kärlet eller den slutna satsreaktorn. För ultraljudsbehandling av ett kontinuerligt flöde installeras en ultraljudsflödescell. Vätskemediet passerar sonotroden (en stav som vibrerar med ultraljud) en enda gång eller genom recirkulation och exponeras mycket jämnt och effektivt för ultraljudsvågorna.
Sammantaget gör de intensiva kavitationskrafterna, den låga energiförbrukningen och processens skalbarhet ultraljudsbehandling med låg frekvens och hög effekt till en effektiv metod för bearbetning av vätskor.
Funktionsprincip och användning av ultraljudsbearbetning
Ultraljudsbehandling är en kommersiell bearbetningsteknik som har införts inom många branscher för storskalig produktion. Hög tillförlitlighet och skalbarhet samt låga underhållskostnader och hög energieffektivitet gör ultraljudsprocessorer till ett bra alternativ till traditionell utrustning för vätskebearbetning. Ultraljud erbjuder ytterligare spännande möjligheter: Kavitation – den grundläggande ultraljudseffekten – ger unika resultat i biologiska, kemiska och fysikaliska processer. Exempelvis ger dispergering och emulgering med ultraljud enkelt stabila formuleringar i nanostorlek. Även inom extraktion av växtmaterial är ultraljud en icke-termisk teknik för att isolera bioaktiva föreningar.
Ultraljudsblandning bygger på akustisk kavitation och dess hydrodynamiska skjuvkrafter.
Medan lågintensivt eller högfrekvent ultraljud främst används för analys, oförstörande provning och avbildning, används högintensivt ultraljud för bearbetning av vätskor och pastor, där intensiva ultraljudsvågor används för blandning, emulgering, dispergering och deagglomerering, celldisintegration eller enzyminaktivering. Vid ultraljudsbehandling av vätskor med hög intensitet fortplantas ljudvågorna genom vätskemedierna. Detta ger upphov till växlande högtryckscykler (kompression) och lågtryckscykler (förtunning), med en takt som beror 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 lokalt mycket höga temperaturer (cirka 5 000K) och tryck (cirka 2 000atm). Kavitationsbubblans implosion ger också upphov till vätskestrålar med hastigheter 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; förstärka polymerisations- och depolymerisationsreaktioner genom att dispergera aggregat eller genom att permanent bryta kemiska bindningar i polymerkedjor; öka emulgeringshastigheten; öka diffusionshastigheten; framställa högkoncentrerade emulsioner eller likformiga dispersioner av material i mikrometer- eller nanometerstorlek; underlätta extraktionen av ämnen såsom enzymer från djur-, växt-, jäst- eller bakterieceller; avlägsna virus från infekterad vävnad; och slutligen erodera och bryta ned känsliga partiklar, inklusive mikroorganismer. (jfr Kuldiloke 2002)
Högintensivt ultraljud ger upphov till kraftig omrörning i lågviskösa vätskor, vilket kan användas för att dispergera material i vätskor. (jfr Ensminger, 1988) Vid gränsytor mellan vätska och fast material eller mellan gas och fast material kan den asymmetriska implosionen av kavitationsbubblor orsaka extrem turbulens som minskar diffusionsgränsskiktet, ökar den konvektiva masstransporten och avsevärt påskyndar diffusionen i system där vanlig blandning inte är möjlig. (jfr Nyborg, 1965)
Kraftfull ultraljudskavitation vid Hielscher Cascatrode
Vanliga frågor om ultraljudsapparater för laboratorier, bänkskala och industri
Är Hielschers ultraljudsprocessorer konstruerade för krävande industriella tillämpningar?
Ja. Hielschers industriella ultraljudsapparater är uttryckligen konstruerade för kontinuerlig drift vid hög belastning i krävande industrimiljöer. Med uteffekter från 500 watt till 16 kilowatt per enhet är de byggda för att klara de hårda krav som storskaliga produktionsprocesser ställer och som laboratorieapparater inte kan hantera.
Hur hållbara är Hielschers ultraljudsapparater under tuffa förhållanden?
Hielschers ultraljudsapparater är byggda för enastående hållbarhet. Varje enskild komponent i UIP-serien är omsorgsfullt konstruerad och testad för långvarig prestanda. I faktiska installationer världen över klarar dessa system rutinmässigt utomhusinstallationer, exponering för dammig luft, sprutande vätskor och hårdhänt hantering utan att funktionaliteten försämras.
Kan man lita på Hielschers utrustning för kontinuerlig drift dygnet runt, alla dagar i veckan?
Absolut. Tillförlitlighet är en grundpelare i Hielschers konstruktion för industriellt bruk. Deras ultraljudsprocessorer är särskilt konstruerade för kontinuerlig drift i krävande miljöer, vilket säkerställer jämn bearbetningskvalitet och minimala driftstopp i din produktionslinje. Denna tillförlitlighet är avgörande när bearbetningsvolymerna ökar och driftskostnaderna spelar roll.
Vad gör Hielschers ultraljudsapparater lämpliga för krävande industrimiljöer?
Hielschers utrustning utmärker sig i krävande miljöer eftersom den kombinerar hög effekt, robust konstruktion och exceptionell energieffektivitet. Deras industriella processorer upprätthåller en verkningsgrad på över 85%, vilket inte bara minskar elkostnaderna utan också säkerställer stabil mekanisk uteffekt vid hög belastning. Detta gör dem idealiska för krävande tillämpningar inom vätskebearbetning, såsom biodieselproduktion, pigmentmalning och formulering av nanomaterial.
Har Hielschers industriella ultraljudsapparater lång livslängd?
Ja, lång livslängd är en grundläggande konstruktionsprincip för Hielscher. Eftersom varje komponent genomgår rigorösa tester för varaktig prestanda är dessa system byggda för att hålla i åratal av kontinuerlig användning. I kombination med hög energiomvandlingseffektivitet och robust byggkvalitet ger Hielschers processorer tillförlitlig, långvarig prestanda även i de mest intensiva industrimiljöerna.
Hur säkerställer Hielscher utrustningens tillförlitlighet vid uppskalning från laboratorium till produktion?
Hielscher hanterar skalbarhet genom att erbjuda kluster av industriella enheter som ger ökad redundans och möjlighet att anpassa kapaciteten. Genom att använda flera högeffektsprocessorer (t.ex. kluster med 6xUIP10000) kan anläggningar upprätthålla tillförlitlig, kontinuerlig drift samtidigt som de bearbetar mycket stora volymer (upp till 50 kubikmeter per timme) utan att överbelasta enskilda komponenter. Denna modulära, robusta lösning garanterar både tillförlitlighet och jämn processkvalitet i stor skala.
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).
Ultraljudsreaktor med 4x 2000 watts sonder (8kW) för sonokemiska processer.
Hielscher Ultrasonics tillverkar högpresterande ultraljudshomogenisatorer från laboratorieskala till industriskala.