Ultraljudskavitation i vätskor

Ultraljudskavitation är drivkraften bakom högintensiv ultraljudsbehandling av vätskor. När kraftfullt ultraljud kopplas in i en vätska bildas mikroskopiska ångbubblor som växer och kollapsar våldsamt. Denna akustiska kavitation skapar intensiva lokala skjuvkrafter, mikrostrålar, stötvågor, tryckförändringar och mikroblandningseffekter som kan påskynda homogenisering, dispergering, emulgering, extraktion, avgasning, cellsönderdelning och sonokemiska reaktioner.

Hielschers sondsonikatorer använder kontrollerad akustisk kavitation för att överföra ultraljudsenergi direkt till vätskor, suspensioner och uppslamningar. Från små laboratorieprover till kontinuerlig industriell genomflödesproduktion gör Hielschers system det möjligt att justera amplitud, sonotrodgeometri, tryck, temperatur, flödeshastighet och uppehållstid för reproducerbara kavitationsresultat.

• För laboratorier: utveckla och optimera parametrar för ultraljudsbehandling i små volymer.
• För pilotanläggningar: validera kavitationsdrivna processer under realistiska processförhållanden.
• För produktion: skala upp ultraljudskavitation till satsvisa processer, recirkulationsprocesser eller kontinuerliga inlineprocesser.

Arbetsprincipen för ultraljudskavitation

När vätskor behandlas med högintensivt ultraljud ger ljudvågorna som fortplantar sig i vätskemedierna upphov till omväxlande högtryckscykler (kompression) och lågtryckscykler (förtunning), med en cykeltakt 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 en hastighet på upp till 280m/s.

Akustisk kavitation (genererad av effektultraljud) skapar lokalt extrema förhållanden, så kallade sonomekaniska och sonokemiska effekter. Genom dessa effekter främjar ultraljudsbehandling kemiska reaktioner som leder till högre utbyten, högre reaktionshastighet, nya reaktionsvägar och förbättrad total effektivitet.

Viktiga tillämpningar för sonikatorer och akustisk kavitation

Ultraljudsapparater av sondtyp, även kallade ultraljudssonder, genererar effektivt intensiv akustisk kavitation i vätskor. Därför används de i stor utsträckning för olika tillämpningar inom olika branscher. Några av de viktigaste tillämpningarna för akustisk kavitation som genereras av ultraljudsapparater av sondtyp är:
 

1. Homogenisering: Ultraljudssonder kan generera intensiv kavitation, som kännetecknas av ett energitätt fält av vibrationer och skjuvkrafter. Dessa krafter ger utmärkt blandning, sammanblandning och partikelstorleksminskning. Ultraljudshomogenisering ger jämnt blandade suspensioner. Därför används ultraljudsbehandling för att framställa homogena kolloidala suspensioner med smala fördelningskurvor.
2. Dispergering av nanopartiklar: Ultraljudsapparater används för dispergering, deagglomerering och våtmalning av nanopartiklar. Lågfrekventa ultraljudsvågor kan generera kraftig kavitation, som bryter ned agglomerat och minskar partikelstorleken. I synnerhet accelererar vätskestrålarnas kraftiga skjuvning partiklar i vätskan, vilka kolliderar med varandra (interpartikulära kollisioner), så att partiklarna till följd av detta bryts sönder och eroderas. Detta ger en jämn och stabil fördelning av partiklar som förhindrar sedimentering. Detta är avgörande inom olika områden, däribland nanoteknik, materialvetenskap och läkemedel.
3. Emulgering och blandning: Ultraljudsapparater av sondtyp används för att skapa emulsioner och blanda vätskor. Ultraljudsenergin orsakar kavitation, det vill säga bildning och kollaps av mikroskopiska bubblor, vilket genererar intensiva lokala skjuvkrafter. Denna process underlättar emulgering av oblandbara vätskor och ger stabila och finfördelade emulsioner.
4. Extraktion: Tack vare skjuvkrafterna från kavitationen är ultraljudsapparater mycket effektiva när det gäller att sönderdela cellstrukturer och förbättra massöverföringen mellan fast fas och vätska. Därför används ultraljudsextraktion i stor utsträckning för att frigöra intracellulärt material, såsom bioaktiva föreningar, för framställning av högkvalitativa växtextrakt.
5. Avgasning och avluftning: Ultraljudsapparater av sondtyp används för att avlägsna gasbubblor eller lösta gaser från vätskor. Användningen av ultraljudskavitation främjar sammansmältningen av gasbubblor så att de växer och stiger till vätskans yta. Ultraljudskavitation gör avgasning till en snabb och effektiv procedur. Detta är värdefullt inom olika branscher, exempelvis vid bearbetning av färger, hydraulvätskor eller livsmedel och drycker, där förekomsten av gaser kan påverka produktens kvalitet och stabilitet negativt.
6. Sonokatalys: Ultraljudssonder kan användas för sonokatalys, en process som kombinerar akustisk kavitation med katalysatorer för att främja kemiska reaktioner. Kavitationen som genereras av ultraljudsvågor förbättrar massöverföringen, ökar reaktionshastigheterna och främjar bildningen av fria radikaler, vilket leder till effektivare och mer selektiva kemiska omvandlingar.
7. Provberedning: Ultraljudsapparater av sondtyp används ofta i laboratorier för provberedning. De används för att homogenisera, bryta upp aggregat i och extrahera biologiska prover, såsom celler, vävnader och virus. Ultraljudsenergin som genereras av sonden bryter sönder cellmembranen, frigör cellinnehållet och underlättar vidare analys.
8. Sönderdelning och celluppslutning: Ultraljudsapparater av sondtyp används för att sönderdela och bryta sönder celler och vävnader för olika ändamål, såsom extraktion av intracellulära komponenter, mikrobiell inaktivering eller provberedning inför analys. De högintensiva ultraljudsvågorna och den kavitation som därigenom genereras orsakar mekanisk påkänning och skjuvkrafter, vilket resulterar i sönderdelning av cellstrukturer. Inom biologisk forskning och medicinsk diagnostik används ultraljudsapparater av sondtyp för celllys, den process där celler bryts upp för att frigöra sina intracellulära komponenter. Ultraljudsenergi bryter sönder cellväggar, membran och organeller, vilket möjliggör extraktion av proteiner, DNA, RNA och andra cellbeståndsdelar.

 
Detta är några av de viktigaste användningsområdena för ultraljudsapparater av sondtyp, men tekniken har ett ännu bredare spektrum av andra användningsområden, inklusive sonokemi, partikelstorleksreduktion (våtmalning), partikelsyntes enligt bottom-up-principen och sonosyntes av kemiska ämnen och material inom olika branscher såsom läkemedelsindustrin, livsmedelsbearbetning, bioteknik och miljövetenskap.

En höghastighetssekvens av bildrutor (från a till f) som visar sonomekanisk exfoliering av en grafitflaga i vatten med hjälp av UP200S, en ultraljudsapparat på 200W med en 3-mm-sonotrod. Pilarna visar var partiklarna spjälkas och kavitationsbubblor tränger in i sprickan.
© Tyurnina et al. 2020

Tabellen nedan ger en uppfattning om våra ultraljudsapparaters ungefärliga bearbetningskapacitet:

Video av akustisk kavitation i vätska

Följande video visar akustisk kavitation vid ultraljudsapparaten UIP1000hdT:s kaskatrod i en vattenfylld glaskolonn. Glaskolonnen belyses underifrån med rött ljus för att göra kavitationsbubblorna lättare att se.