Ultrasonik Hornlarla Yüksek Güçlü Ultrason Uygulaması

Ultrasonik hornlar veya problar; homojenizasyon, dispersiyon, yaş öğütme, emülsifikasyon, ekstraksiyon, parçalama, çözündürme ve havanın giderilmesi dahil olmak üzere çok çeşitli sıvı işleme uygulamalarında yaygın olarak kullanılır. Ultrasonik hornlar, ultrasonik problar ve bunların uygulamaları hakkında temel bilgileri öğrenin.

Ultrasonik Horn ve Ultrasonik Prob Karşılaştırması

Ultrasonik horn ve prob terimleri genellikle birbirinin yerine kullanılır ve ultrason dalgalarını sıvıya ileten ultrasonik çubuğu ifade eder. Ultrasonik prob için kullanılan diğer terimler akustik horn, sonotrot, akustik dalga kılavuzu veya ultrasonik parmaktır. Ancak teknik açıdan ultrasonik horn ile ultrasonik prob arasında bir fark vardır.
Hem horn hem de prob, prob tipi sonikatör olarak adlandırılan cihazın parçalarını ifade eder. Ultrasonik horn, ultrasonik dönüştürücünün piezoelektrik olarak üretilen titreşimlerle uyarılan metal parçasıdır. Ultrasonik horn belirli bir frekansta, örneğin 20kHz frekansında titreşir; bu, saniyede 20.000 titreşim anlamına gelir. Titanyum, mükemmel akustik iletim özellikleri, yüksek yorulma dayanımı ve yüzey sertliği nedeniyle ultrasonik hornların üretiminde tercih edilen malzemedir.

Ultrasonik prob, sonotrot veya ultrasonik parmak olarak da adlandırılır. Çoğunlukla titanyumdan yapılan ve ultrasonik horna vidalanan bir metal çubuktur. Ultrasonik prob, ultrason dalgalarını sonikasyona tabi tutulan ortama ileten ultrasonik işlemcinin temel bir parçasıdır. Ultrasonik problar / sonotrotlar çeşitli şekillerde (örneğin konik, uçlu, daralan veya Cascatrode biçiminde) mevcuttur. Titanyum ultrasonik problar için en yaygın kullanılan malzeme olmakla birlikte, paslanmaz çelik, seramik, cam ve diğer malzemelerden yapılmış sonotrotlar da mevcuttur.

Ultrasonik horn ve prob sonikasyon sırasında sürekli basma veya çekme altında olduğundan, horn ve prob için malzeme seçimi kritik öneme sahiptir. Yüksek kaliteli titanyum alaşımı (grade 5), gerilmeye dayanmak, uzun süreler boyunca yüksek genlikleri korumak ve akustik ve mekanik özellikleri iletmek için en güvenilir, dayanıklı ve etkili metal olarak kabul edilir.

Çözündürme, ultrasonik işlemenin yaygın uygulamalarından biridir. Video, Hielscher UP200St kullanılarak şeker kristallerinin suda hızla çözündürülmesini göstermektedir.

Yüksek performanslı sonikatörler çoğunlukla 20–30kHz frekans aralığında çalışır. 20 kHz frekansında ultrasonik prob, tipik olarak yarım dalga boyu uzunluğunda, saniyede 20.000 kez sürekli uzayıp kısalan bir rezonans çubuğudur. Uzama ve kısalma hareketleri, aşağıdaki gibi uygulamaları gerçekleştirmek amacıyla proses ortamına, yani akışkana veya bulamaca, yüksek güçlü ultrason olarak iletilir:

• ultrasonik yüksek kesmeli karıştırma
• ultrasonik yaş öğütme
• nanoparçacıkların ultrasonik dispersiyonu
• ultrasonik nanoemülsifikasyon
• ultrasonik ekstraksiyon
• ultrasonik parçalama
• ultrasonik hücre parçalama ve lizis
• ultrasonik gaz ve hava giderme
• sonokimya (sonosentez, sonokataliz)

Yüksek Güçlü Ultrason Nasıl Çalışır? – Akustik Kavitasyonun Çalışma Prensibi

Homojenizasyon, parçacık boyutunun küçültülmesi, parçalama veya nanodispersiyonlar gibi yüksek performanslı ultrasonik uygulamalar için yüksek yoğunluklu, düşük frekanslı ultrason bir ultrason dönüştürücüsü tarafından üretilir ve ultrasonik horn ve prob (sonotrot) aracılığıyla bir sıvıya iletilir. 16–30kHz aralığındaki ultrason, yüksek güçlü ultrason olarak kabul edilir. Ultrason probu örneğin 20kHz frekansında uzayıp kısalarak ortama saniyede 20.000 titreşim iletir. Ultrasonik dalgalar sıvı içinde ilerlerken, dönüşümlü yüksek basınç (sıkışma) / düşük basınç (seyrelme / genleşme) döngüleri, birkaç basınç döngüsü boyunca büyüyen çok küçük boşluklar (vakum kabarcıkları) oluşturur. Sıvının ve kabarcıkların sıkışma evresinde basınç pozitifken, seyrelme evresi vakum (negatif basınç) oluşturur. Sıkışma–genleşme döngüleri sırasında sıvıdaki boşluklar, daha fazla enerji soğuramayacakları bir boyuta ulaşana kadar büyür. Bu noktada şiddetle içe doğru çökerler. Bu boşlukların içe doğru çökmesi, akustik / ultrasonik kavitasyon olgusu olarak bilinen çeşitli yüksek enerjili etkilere yol açar. Akustik kavitasyon; sıvıları, katı/sıvı sistemlerini ve gaz/sıvı sistemlerini etkileyen çok çeşitli yüksek enerjili etkilerle karakterize edilir. Enerji yoğun bölge veya kavitasyon bölgesi, sıcak nokta bölgesi olarak adlandırılır; bu bölgenin enerji yoğunluğu ultrasonik probun hemen yakınında en yüksektir ve sonotrottan uzaklaştıkça azalır. Ultrasonik kavitasyonun başlıca özellikleri arasında yerel olarak ortaya çıkan çok yüksek sıcaklıklar ve basınçlar ile bunlara ilişkin farklar, türbülanslar ve sıvı akışı bulunur. Ultrasonik sıcak noktalarda ultrasonik boşlukların içe doğru çökmesi sırasında 5000 Kelvine kadar sıcaklıklar, 200 atmosfere kadar basınçlar ve 1000km/h hıza kadar sıvı jetleri ölçülebilir. Enerji yoğunluğu olağanüstü yüksek olan bu koşullar, prosesleri ve kimyasal reaksiyonları çeşitli yollarla yoğunlaştıran sonomekanik ve sonokimyasal etkilere katkıda bulunur.
Sonikasyonun sıvılar ve bulamaçlar üzerindeki başlıca etkileri şunlardır:

• Yüksek kesme: Ultrasonik yüksek kesme kuvvetleri, sıvıları ve sıvı–katı sistemlerini parçalayarak yoğun çalkalanmaya, homojenizasyona ve kütle transferine neden olur.
• Darbe: Ultrasonik kavitasyonun oluşturduğu sıvı jetleri ve akış, sıvılardaki katıları hızlandırır; bu da ardından parçacıklar arası çarpışmaya yol açar. Parçacıklar çok yüksek hızlarda çarpıştığında aşınır, parçalanır ve çoğu zaman nano boyuta kadar ince biçimde öğütülüp disperse edilir. Bitkisel materyaller gibi biyolojik maddelerde, yüksek hızlı sıvı jetleri ve dönüşümlü basınç döngüleri hücre duvarlarını parçalar ve hücre içi materyali serbest bırakır. Bu, biyoaktif bileşiklerin yüksek verimlilikle ekstraksiyonuna ve biyolojik maddenin homojen biçimde karıştırılmasına yol açar.
• Çalkalanma: Sonikasyon, sıvıda veya bulamaçta yoğun türbülanslara, kesme kuvvetlerine ve mikro hareketlere neden olur. Böylece sonikasyon, kütle transferini her zaman yoğunlaştırır ve bu yolla reaksiyonları ve prosesleri hızlandırır.

Ultrasonik homojenizatörler ve yüksek kesmeli karıştırıcılar, sıvılar veya bulamaçlarla çalışan hemen hemen her işleme endüstrisinde kullanılır. Yoğun ultrasonik kavitasyon kuvvetleri; yoğun çalkalanma, kesme, parçacık kırılması ve kütle transferi oluşturur. Böylece sıvılar homojenize edilir, disperse edilir, emülsifiye edilir, ekstrakte edilir, çözündürülür ve/veya kimyasal reaksiyonlar başlatılır. Genel olarak sonikasyon, verimi artıran, dönüşüm oranlarını iyileştiren ve prosesleri daha verimli hâle getiren bir proses yoğunlaştırma yöntemidir.
Endüstride yaygın ultrasonik uygulamalar; gıda ve ilaç, ince kimyasallar, enerji ve petrokimya, geri dönüşüm, biyorafineriler vb. alanların birçok dalına yayılmıştır ve aşağıdakileri içerir:

• ultrasonik biyodizel sentezi
• meyve sularının ultrasonik homojenizasyonu
• aşıların ultrasonik üretimi
• ultrasonik Li-ion pil geri dönüşümü
• nanomalzemelerin ultrasonik sentezi
• ilaçların ultrasonik formülasyonu
• CBD’nin ultrasonik nanoemülsifikasyonu
• bitkisel materyallerin ultrasonik ekstraksiyonu
• laboratuvarlarda ultrasonik numune hazırlama
• sıvılardan ultrasonik gaz giderme
• ham petrolün ultrasonik kükürt giderimi
• ve çok daha fazlası …

Yüksek Performanslı Uygulamalar için Ultrasonik Hornlar ve Problar

Hielscher Ultrasonics, dünya çapında birçok endüstride ağır hizmet uygulamaları için kullanılan yüksek güçlü sonikatörlerin üretimi ve dağıtımında uzun yıllara dayanan deneyime sahiptir.
Cihaz başına 50 watt ile 16kW arasında tüm boyutlarda ultrasonik işlemciler, çeşitli boyut ve şekillerde problar, farklı hacim ve geometrilerde ultrasonik reaktörler sunan Hielscher Ultrasonics, uygulamanız için ideal ultrasonik düzeneği yapılandırmak üzere doğru ekipmana sahiptir.
Aşağıdaki tablo, sonikatörlerimizin yaklaşık işleme kapasitesi hakkında bir fikir verir: