การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์แบบโพรบและแบบอ่างแตกต่างกันอย่างไร? – การเปรียบเทียบประสิทธิภาพ

การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์มีการใช้งานอย่างแพร่หลายในวิทยาศาสตร์การอาหาร เทคโนโลยีชีวภาพ และวิศวกรรมวัสดุ เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการสกัด การกระจายตัว หรือการทำลายเซลล์ แม้ว่าเครื่องอัลตราซาวนด์ทั้งแบบโพรบและแบบอ่างจะอาศัยคาวิเทชันจากคลื่นเสียง แต่สมรรถนะและลักษณะการควบคุมของทั้งสองแบบแตกต่างกันอย่างมาก การเลือกระหว่างสองแบบนี้ส่งผลอย่างมากต่อประสิทธิภาพการสกัด ความสามารถในการทำซ้ำ และความสามารถในการขยายขนาดกระบวนการ

บทความนี้อ้างอิงงานวิจัยที่ตีพิมพ์แล้ว – รวมถึงการสกัดชีวมวลของ Alaria esculenta และ Lemna minor และการศึกษาเกี่ยวกับการกระจายตัวของอนุภาคนาโน – เพื่อเปรียบเทียบเทคนิคทั้งสองและแสดงให้เห็นว่าเหตุใดการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์แบบโพรบจึงให้ผลเหนือกว่าระบบแบบอ่างอย่างสม่ำเสมอสำหรับงานสกัดที่ต้องการสมรรถนะสูง

เครื่องอัลตราซาวนด์แบบโพรบและแบบอ่าง: หลักการทำงานและการส่งพลังงาน

การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์แบบโพรบ: คาวิเทชันโดยตรงที่มีความเข้มสูง

เครื่องอัลตราซาวนด์แบบโพรบใช้ฮอร์นโลหะ (มักเป็นไทเทเนียม) ที่จุ่มเข้าไปในตัวอย่างโดยตรง ปลายโพรบส่งคลื่นอัลตราซาวนด์เข้าสู่ตัวกลาง ทำให้เกิดบริเวณคาวิเทชันที่จำกัดอยู่เฉพาะจุดอย่างมากและมีความหนาแน่นของพลังงานสูงมาก – มีรายงานว่าสูงถึง 20,000 W/L ในอุปกรณ์อุตสาหกรรม การควบคู่พลังงานโดยตรงนี้ช่วยให้ถ่ายโอนพลังงานกลเข้าสู่ตัวอย่างได้อย่างมีประสิทธิภาพ ก่อให้เกิดแรงเฉือนรุนแรง เจ็ตขนาดจุลภาค และคลื่นกระแทก
หลักฐานจาก Inguanez และคณะแสดงให้เห็นว่าการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์แบบโพรบที่แอมพลิจูดสูง (เช่น 80%) เพิ่มการสกัดโปรตีนจากทั้ง Alaria esculenta และ Lemna minor อย่างมีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับการใช้แบบอ่างและกลุ่มควบคุมที่ไม่ได้รับการบำบัด ตัวอย่างเช่น แอมพลิจูด 80% ให้ความเข้มข้นของโปรตีนสูงกว่ากลุ่มควบคุมได้ถึง 3.87 เท่า เมื่อบำบัดเป็นเวลา 2 นาที

พบรูปแบบคล้ายกันในการกระจายตัวของอนุภาคนาโน: การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ด้วยโซโนโทรด (โพรบ) ให้ความหนาแน่นของกำลังสูงกว่าอ่างอัลตราซาวนด์ 70–150 เท่า ทำให้สลายกลุ่มอนุภาคนาโน BaTiO₃ และ TiCN ได้ ซึ่งอ่างไม่สามารถทำได้ (Windey et al., 2023)

การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์แบบอ่าง: การกระจายพลังงานทางอ้อมที่มีความเข้มต่ำ

อ่างอัลตราซาวนด์ส่งพลังงานผ่านตัวกลางน้ำเข้าสู่ภาชนะบรรจุตัวอย่าง ทำให้เกิดการสูญเสียพลังงานเสียงอย่างมากและกระจายพลังงานอย่างแผ่กว้างทั่วทั้งถัง
โดยทั่วไป ระบบแบบอ่างให้ค่า 20–40 W/L ซึ่งต่ำกว่าโพรบหลายลำดับขนาด – ทำให้เกิดคาวิเทชันที่มีความเข้มต่ำและไม่เพียงพอสำหรับการทำลายเมทริกซ์อย่างมีประสิทธิผล
ในการศึกษาชีวมวล การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์แบบอ่างให้สมรรถนะต่ำกว่าระบบแบบโพรบอย่างสม่ำเสมอ โดยต้องใช้เวลารับคลื่นนานกว่าและยังคงให้ผลได้จากการสกัดต่ำกว่า

Windey และคณะแสดงให้เห็นเช่นกันว่าการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์แบบอ่างไม่สามารถสลายกลุ่มอนุภาคนาโน TiCN ได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยยังเหลือกลุ่มอนุภาคขนาดระดับไมโครเมตรแม้ผ่านไป 2 ชั่วโมงแล้ว

โพรบเทียบกับอ่าง: ประสิทธิภาพและการควบคุมกระบวนการ

การทำลายเนื้อเยื่อและการสกัดที่เหนือกว่าด้วยการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์แบบโพรบ

คาวิเทชันที่มีความเข้มสูงช่วยให้เครื่องอัลตราซาวนด์แบบโพรบทำลายเนื้อเยื่อพืชและผนังเซลล์ได้อย่างรวดเร็ว และเพิ่มการแทรกซึมของตัวทำละลาย
Inguanez และคณะเปรียบเทียบเครื่องอัลตราซาวนด์แบบโพรบและแบบอ่างโดยตรงและพบว่า:
สำหรับ Lemna minor การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์แบบโพรบที่แอมพลิจูด 80% ให้โปรตีนมากกว่าการใช้แบบอ่าง 1.5–1.8×
ผลดังกล่าวเด่นชัดขึ้นเมื่อใช้เวลาบำบัดสั้นลงแต่มีความเข้มสูงขึ้น ซึ่งเน้นย้ำถึงข้อได้เปรียบด้านความหนาแน่นของกำลัง

ผลนี้สอดคล้องกับหลักการที่พบในการกระจายตัวของอนุภาคนาโน: ระบบแบบโพรบสร้างแรงกลได้เพียงพอที่จะเอาชนะแรงดึงดูดที่รุนแรงระหว่างอนุภาค ทำให้สลายกลุ่มอนุภาคได้อย่างมีประสิทธิผลในกรณีที่อ่างไม่สามารถทำได้

การควบคุมอย่างละเอียดในระบบแบบโพรบ
เครื่องอัลตราซาวนด์แบบโพรบช่วยให้ปรับค่าต่อไปนี้ได้อย่างแม่นยำ:

• แอมพลิจูด (ควบคุมความเข้มของคาวิเทชัน),
• โหมดพัลส์ (การจัดการความร้อน),
• ความลึกในการจุ่ม,
• เวลาและพลังงานที่ป้อนเข้าสู่ระบบ

พารามิเตอร์เหล่านี้ส่งผลโดยตรงต่อแรงเฉือนเชิงกลและผลการสกัด
ระบบแบบอ่างไม่มีความสามารถในการควบคุมในระดับเหล่านี้ ตำแหน่งของตัวอย่าง – แม้ต่างกันเพียงไม่กี่มิลลิเมตร – ก็สามารถเปลี่ยนระดับการได้รับคาวิเทชันอย่างมาก ทำให้ความสามารถในการทำซ้ำต่ำ

ปริมาตรตัวอย่าง ปริมาณตัวอย่างที่ประมวลผลต่อหน่วยเวลา และความสามารถในการขยายขนาดกระบวนการ

การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์แบบโพรบ
เหมาะอย่างยิ่งสำหรับทุกปริมาตร: โพรบอัลตราซาวนด์ให้สมรรถนะโดดเด่นเมื่อต้องใช้พลังงานที่มีความหนาแน่นสูงกับบริเวณปฏิกิริยาที่กำหนดไว้ การขยายขนาดสู่ระดับอุตสาหกรรมทำได้อย่างมีประสิทธิภาพและเชื่อถือได้ด้วยโซโนโทรดขนาดใหญ่ขึ้นและการใช้เซลล์การไหลเพื่อการทำงานอย่างต่อเนื่อง

การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์แบบโพรบสามารถกระจายอนุภาคนาโนได้อย่างสมบูรณ์ที่ความหนาแน่นของพลังงานประมาณ 120 J/g (เทอร์โมเซต) และ 950 J/mL (เทอร์โมพลาสติก) – ซึ่งเป็นระดับที่อ่างไม่สามารถทำได้ (Windey et al., 2023)

การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์แบบอ่าง
อ่างใช้งานได้สะดวกสำหรับงานที่ใช้พลังงานต่ำ (เช่น การทำความสะอาดขวดบรรจุตัวอย่างหรือการไล่ก๊าซออกจากตัวทำละลาย) แต่เนื่องจากพลังงานสูญเสียไปอย่างรวดเร็วเมื่อปริมาตรเพิ่มขึ้น อ่างจึง:

• ประมวลผลตัวอย่างที่มีความหนืดหรือความหนาแน่นสูงได้ยาก,
• เกิดคาวิเทชันที่ไม่สม่ำเสมอ,
• ไม่สามารถขยายขนาดเกินปริมาตรเล็ก ๆ ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

ดังนั้น จึงไม่ค่อยเลือกใช้อ่างในกระบวนการทำให้เป็นเนื้อเดียวกันและการสกัดระดับอุตสาหกรรม

ความสามารถในการทำซ้ำและผลต่อการวิเคราะห์

เครื่องอัลตราซาวนด์แบบโพรบส่งพลังงานได้อย่างทำซ้ำได้มากกว่าอย่างมีนัยสำคัญ ทำให้สามารถสกัดเชิงปริมาณได้อย่างเชื่อถือได้ – ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อเมแทบอโลมิกส์ การวิเคราะห์สารฟีนอลิก และการหาปริมาณโปรตีน
ในการศึกษาชีวมวล ตัวอย่างที่ผ่านการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ด้วยเครื่องแบบโพรบแสดงลักษณะต่อไปนี้อย่างสม่ำเสมอ:

• ความแปรปรวน (RSD) ต่ำกว่า,
• ผลได้จากการสกัดที่คาดการณ์ได้มากกว่า,
• ความสัมพันธ์ระหว่างเวลา/แอมพลิจูดกับผลการสกัดที่ชัดเจนกว่า

การใช้อ่างทำให้เกิดความแปรปรวนสูงกว่า ซึ่งตอกย้ำถึงความไม่เหมาะสมของอ่างสำหรับกระบวนการวิเคราะห์ที่ต้องการความแม่นยำ

เครื่องอัลตราซาวนด์แบบโพรบ UIP1000hdT ขนาด 1000 วัตต์ พร้อมโพรบกำลังสูงสำหรับการใช้คลื่นอัลตราซาวนด์แบบแบตช์หรือแบบอินไลน์