คาวิเทชันจากอัลตราโซนิกในของเหลว

คาวิเทชันจากอัลตราโซนิกเป็นแรงขับเคลื่อนเบื้องหลังการแปรรูปของเหลวด้วยอัลตราโซนิกความเข้มสูง เมื่อส่งผ่านคลื่นอัลตราซาวนด์กำลังสูงเข้าสู่ของเหลว ฟองไอขนาดจุลภาคจะก่อตัว เติบโต และยุบตัวอย่างรุนแรง คาวิเทชันจากคลื่นเสียงนี้ก่อให้เกิดแรงเฉือนเฉพาะจุดที่รุนแรง เจ็ตขนาดจุลภาค คลื่นกระแทก การเปลี่ยนแปลงความดัน และผลการผสมในระดับจุลภาค ซึ่งสามารถเร่งการทำให้เป็นเนื้อเดียวกัน การกระจายตัว การทำอิมัลชัน การสกัด การกำจัดก๊าซ การทำลายเซลล์ และปฏิกิริยาโซโนเคมีได้

เครื่องโซนิเคเตอร์แบบโพรบของ Hielscher ใช้คาวิเทชันจากคลื่นเสียงที่ควบคุมได้เพื่อถ่ายโอนพลังงานอัลตราโซนิกเข้าสู่ของเหลว สารแขวนลอย และสลาร์รีโดยตรง ตั้งแต่ตัวอย่างปริมาณน้อยในห้องปฏิบัติการไปจนถึงการผลิตแบบไหลผ่านอย่างต่อเนื่องในระดับอุตสาหกรรม ระบบของ Hielscher ช่วยให้คุณปรับแอมพลิจูด รูปทรงของโซโนโทรด ความดัน อุณหภูมิ อัตราการไหล และเวลาพำนัก เพื่อให้ได้ผลคาวิเทชันที่ทำซ้ำได้

• สำหรับห้องปฏิบัติการ: พัฒนาและปรับพารามิเตอร์การใช้คลื่นอัลตราโซนิกให้เหมาะสมในปริมาตรน้อย
• สำหรับโรงงานนำร่อง: ตรวจสอบความใช้ได้ของกระบวนการที่ขับเคลื่อนด้วยคาวิเทชันภายใต้สภาวะการแปรรูปที่สอดคล้องกับการใช้งานจริง
• สำหรับการผลิต: ขยายขนาดการใช้คาวิเทชันจากอัลตราโซนิกสู่กระบวนการแบบแบตช์ แบบหมุนเวียนกลับ หรือแบบต่อเนื่องในสายการผลิต

หลักการทำงานของคาวิเทชันจากอัลตราโซนิก

เมื่อใช้คลื่นอัลตราโซนิกกับของเหลวที่ความเข้มสูง คลื่นเสียงที่แพร่เข้าสู่ตัวกลางของเหลวจะทำให้เกิดวัฏจักรความดันสูง (การอัดตัว) สลับกับความดันต่ำ (การขยายตัว) โดยมีอัตราขึ้นอยู่กับความถี่ ในช่วงวัฏจักรความดันต่ำ คลื่นอัลตราโซนิกความเข้มสูงจะสร้างฟองสุญญากาศหรือช่องว่างขนาดเล็กในของเหลว เมื่อฟองมีปริมาตรถึงจุดที่ไม่สามารถดูดซับพลังงานได้อีก ฟองจะยุบตัวอย่างรุนแรงในช่วงวัฏจักรความดันสูง ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าคาวิเทชัน ระหว่างการยุบตัวเข้าด้านใน อุณหภูมิสูงมาก (ประมาณ 5,000K) และความดันสูงมาก (ประมาณ 2,000atm) จะเกิดขึ้นเฉพาะจุด การยุบตัวเข้าด้านในของฟองคาวิเทชันยังก่อให้เกิดเจ็ตของเหลวที่มีความเร็วสูงถึง 280m/s

คาวิเทชันจากคลื่นเสียง (ที่เกิดจากอัลตราซาวนด์กำลังสูง) สร้างสภาวะสุดขั้วเฉพาะจุด ซึ่งเรียกว่าผลทางโซโนกลศาสตร์และโซโนเคมี ผลเหล่านี้ทำให้การใช้คลื่นอัลตราโซนิกส่งเสริมปฏิกิริยาเคมี ส่งผลให้ได้ผลได้สูงขึ้น อัตราการเกิดปฏิกิริยาเร็วขึ้น เส้นทางปฏิกิริยาใหม่ และประสิทธิภาพโดยรวมที่ดีขึ้น

การประยุกต์ใช้หลักของเครื่องโซนิเคเตอร์และคาวิเทชันจากคลื่นเสียง

เครื่องอัลตราโซนิกแบบโพรบ ซึ่งเรียกอีกอย่างว่าโพรบอัลตราโซนิก สร้างคาวิเทชันจากคลื่นเสียงที่รุนแรงในของเหลวได้อย่างมีประสิทธิภาพ จึงถูกใช้อย่างแพร่หลายในงานต่าง ๆ ของหลากหลายอุตสาหกรรม การประยุกต์ใช้ที่สำคัญที่สุดบางส่วนของคาวิเทชันจากคลื่นเสียงที่สร้างโดยเครื่องอัลตราโซนิกแบบโพรบ ได้แก่:
 

1. การทำให้เป็นเนื้อเดียวกัน: โพรบอัลตราโซนิกสามารถสร้างคาวิเทชันที่รุนแรง ซึ่งมีลักษณะเป็นสนามการสั่นสะเทือนและแรงเฉือนที่มีความหนาแน่นพลังงานสูง แรงเหล่านี้ช่วยให้การผสม การผสมส่วนประกอบ และการลดขนาดอนุภาคเป็นไปได้อย่างดีเยี่ยม การทำให้เป็นเนื้อเดียวกันด้วยอัลตราโซนิกทำให้ได้สารแขวนลอยที่ผสมอย่างสม่ำเสมอ ดังนั้นจึงใช้คลื่นอัลตราโซนิกเพื่อผลิตสารแขวนลอยคอลลอยด์ที่เป็นเนื้อเดียวกันและมีเส้นโค้งการกระจายแคบ
2. การกระจายอนุภาคนาโน: เครื่องอัลตราโซนิกใช้สำหรับการกระจายตัว การแยกกลุ่มอนุภาคที่เกาะรวมกัน และการบดเปียกของอนุภาคนาโน คลื่นอัลตราซาวนด์ความถี่ต่ำสามารถสร้างคาวิเทชันที่มีแรงกระแทก ซึ่งสลายกลุ่มอนุภาคที่เกาะรวมกันและลดขนาดอนุภาค โดยเฉพาะแรงเฉือนสูงของเจ็ตของเหลวจะเร่งอนุภาคในของเหลวให้ชนกัน (การชนระหว่างอนุภาค) ส่งผลให้อนุภาคแตกและสึกกร่อน ทำให้อนุภาคกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอและคงตัว ป้องกันการตกตะกอน สิ่งนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในหลากหลายสาขา รวมถึงนาโนเทคโนโลยี วัสดุศาสตร์ และเภสัชกรรม
3. การทำอิมัลชันและการผสม: เครื่องอัลตราโซนิกแบบโพรบใช้เพื่อสร้างอิมัลชันและผสมของเหลว พลังงานอัลตราโซนิกทำให้เกิดคาวิเทชัน ซึ่งเป็นการก่อตัวและการยุบตัวของฟองขนาดจุลภาคที่ก่อให้เกิดแรงเฉือนเฉพาะจุดอย่างรุนแรง กระบวนการนี้ช่วยทำให้ของเหลวที่ไม่สามารถผสมเป็นเนื้อเดียวกันเกิดเป็นอิมัลชันที่คงตัวและกระจายตัวอย่างละเอียด
4. การสกัด: ด้วยแรงเฉือนจากคาวิเทชัน เครื่องอัลตราโซนิกจึงมีประสิทธิภาพสูงในการทำลายโครงสร้างเซลล์และเพิ่มการถ่ายโอนมวลระหว่างของแข็งกับของเหลว ดังนั้นการสกัดด้วยอัลตราโซนิกจึงถูกใช้อย่างแพร่หลายเพื่อปลดปล่อยสารภายในเซลล์ เช่น สารออกฤทธิ์ทางชีวภาพ สำหรับการผลิตสารสกัดจากพืชคุณภาพสูง
5. การกำจัดก๊าซและการกำจัดอากาศ: เครื่องอัลตราโซนิกแบบโพรบใช้เพื่อกำจัดฟองก๊าซหรือก๊าซที่ละลายอยู่ในของเหลว การใช้คาวิเทชันจากอัลตราโซนิกส่งเสริมการรวมตัวของฟองก๊าซ ทำให้ฟองเติบโตและลอยขึ้นสู่ด้านบนของของเหลว คาวิเทชันจากอัลตราโซนิกทำให้การกำจัดก๊าซเป็นขั้นตอนที่รวดเร็วและมีประสิทธิภาพ สิ่งนี้มีประโยชน์ในหลากหลายอุตสาหกรรม เช่น สี ของไหลไฮดรอลิก หรือการแปรรูปอาหารและเครื่องดื่ม ซึ่งก๊าซที่มีอยู่อาจส่งผลเสียต่อคุณภาพและความคงตัวของผลิตภัณฑ์
6. การเร่งปฏิกิริยาด้วยคลื่นอัลตราโซนิก: โพรบอัลตราโซนิกสามารถใช้สำหรับการเร่งปฏิกิริยาด้วยคลื่นอัลตราโซนิก ซึ่งเป็นกระบวนการที่ผสานคาวิเทชันจากคลื่นเสียงกับตัวเร่งปฏิกิริยาเพื่อส่งเสริมปฏิกิริยาเคมี คาวิเทชันที่เกิดจากคลื่นอัลตราโซนิกช่วยเพิ่มการถ่ายโอนมวล เพิ่มอัตราการเกิดปฏิกิริยา และส่งเสริมการเกิดอนุมูลอิสระ นำไปสู่การเปลี่ยนแปลงทางเคมีที่มีประสิทธิภาพและความเลือกจำเพาะมากขึ้น
7. การเตรียมตัวอย่าง: เครื่องอัลตราโซนิกแบบโพรบใช้กันทั่วไปในห้องปฏิบัติการเพื่อเตรียมตัวอย่าง โดยใช้ทำให้เป็นเนื้อเดียวกัน แยกกลุ่มที่รวมตัวกัน และสกัดตัวอย่างทางชีวภาพ เช่น เซลล์ เนื้อเยื่อ และไวรัส พลังงานอัลตราโซนิกที่เกิดจากโพรบทำลายเยื่อหุ้มเซลล์ ปลดปล่อยสารภายในเซลล์ และช่วยให้การวิเคราะห์ต่อไปทำได้สะดวกขึ้น
8. การสลายตัวและการทำลายเซลล์: เครื่องอัลตราโซนิกแบบโพรบใช้เพื่อสลายและทำลายเซลล์และเนื้อเยื่อสำหรับวัตถุประสงค์ต่าง ๆ เช่น การสกัดองค์ประกอบภายในเซลล์ การทำให้จุลินทรีย์หมดฤทธิ์ หรือการเตรียมตัวอย่างสำหรับการวิเคราะห์ คลื่นอัลตราโซนิกความเข้มสูงและคาวิเทชันที่เกิดจากคลื่นเหล่านี้ก่อให้เกิดความเค้นเชิงกลและแรงเฉือน ส่งผลให้โครงสร้างเซลล์สลายตัว ในการวิจัยทางชีววิทยาและการวินิจฉัยทางการแพทย์ เครื่องอัลตราโซนิกแบบโพรบใช้สำหรับการสลายเซลล์ ซึ่งเป็นกระบวนการทำให้เซลล์แตกเพื่อปลดปล่อยองค์ประกอบภายในเซลล์ พลังงานอัลตราโซนิกทำลายผนังเซลล์ เยื่อหุ้ม และออร์แกเนลล์ ทำให้สามารถสกัดโปรตีน DNA, RNA และองค์ประกอบอื่น ๆ ของเซลล์ได้

 
สิ่งเหล่านี้เป็นส่วนหนึ่งของการประยุกต์ใช้หลักของเครื่องอัลตราโซนิกแบบโพรบ แต่เทคโนโลยีนี้ยังมีการใช้งานอื่น ๆ ที่กว้างขวางยิ่งกว่า รวมถึงโซโนเคมี การลดขนาดอนุภาค (การบดเปียก) การสังเคราะห์อนุภาคแบบล่างขึ้นบน และการสังเคราะห์สารเคมีและวัสดุด้วยคลื่นอัลตราโซนิกในหลากหลายอุตสาหกรรม เช่น เภสัชกรรม การแปรรูปอาหาร เทคโนโลยีชีวภาพ และวิทยาศาสตร์สิ่งแวดล้อม

ลำดับภาพความเร็วสูง (จาก a ถึง f) แสดงการแยกชั้นด้วยกลไกเชิงกลจากคลื่นอัลตราโซนิกของเกล็ดกราไฟต์ในน้ำ โดยใช้ UP200S ซึ่งเป็นเครื่องอัลตราโซนิกขนาด 200W พร้อมโซโนโทรดขนาด 3-mm. ลูกศรแสดงตำแหน่งที่อนุภาคแยกออกจากกัน โดยมีฟองคาวิเทชันแทรกเข้าไปในรอยแยก
© Tyurnina et al. 2020

ตารางด้านล่างแสดงให้เห็นถึงกำลังการแปรรูปโดยประมาณของเครื่องอัลตราโซนิกของเรา:

วิดีโอคาวิเทชันจากคลื่นเสียงในของเหลว

วิดีโอต่อไปนี้แสดงคาวิเทชันจากคลื่นเสียงที่ cascatrode ของเครื่องอัลตราโซนิก UIP1000hdT ในคอลัมน์แก้วที่บรรจุน้ำ คอลัมน์แก้วได้รับแสงสีแดงจากด้านล่างเพื่อช่วยให้มองเห็นฟองคาวิเทชันได้ชัดเจนยิ่งขึ้น