Ultrasonik: Uygulamalar ve Süreçler

Ultrasonication, akustik kavitasyon ve oldukça yoğun fiziksel kuvvetler oluşturan mekanik bir işleme yöntemidir. Bu nedenle, ultrasonikler karıştırma, homojenizasyon, frezeleme, dispersiyon, emülsifikasyon, ekstraksiyon, gaz giderme ve sono-kimyasal reaksiyonlar gibi çok sayıda uygulama için kullanılır.
Aşağıda, tipik ultrasonik uygulamalar ve işlemler hakkında her şeyi öğreneceksiniz.

ultrasonik homojenizasyon

Ultrasonik homojenizatörler, homojenliği ve dağılım stabilitesini artırmak için bir sıvıdaki küçük parçacıkları azaltır. Parçacıklar (dağılma fazı), sıvı bir fazda asılı duran katılar veya sıvı damlacıkları olabilir. Ultrasonik homojenizasyon, yumuşak ve sert parçacıkların azaltılması için çok etkilidir. Hielscher, herhangi bir sıvı hacminin homojenizasyonu ve toplu veya satır içi işleme için ultrasonicators üretmektedir. Laboratuvar ultrasonik cihazları 1,5 mL'den yaklaşık 4L'ye kadar olan hacimler için kullanılabilir. Ultrasonik endüstriyel cihazlar, proses geliştirme ve ticari üretimde 0,5 ila yaklaşık 2000L arasındaki partileri veya saatte 0,1L ila 20 metreküp akış hızlarını işleyebilir.
Ultrasonik homojenizasyon hakkında daha fazla bilgi için buraya tıklayın!

Ultrasonik Dispersiyon ve Deagglomeration

Katıların sıvılara dağılması ve deagglomerasyonu, prob tipi ultrasonicators'ın önemli bir uygulamasıdır. Ultrasonik / akustik kavitasyon, parçacık aglomeralarını bireysel, tek dağılmış parçacıklara ayıran yüksek kesme kuvvetleri üretir. Tozların sıvılara karıştırılması, boya, vernik, kozmetik ürünler, yiyecek ve içecekler veya parlatma ortamları gibi çeşitli ürünlerin formülasyonunda yaygın bir adımdır. Bireysel parçacıklar, van-der-Waals kuvvetleri ve sıvı yüzey gerilimi dahil olmak üzere çeşitli fiziksel ve kimyasal nitelikteki çekim kuvvetleri tarafından bir arada tutulur. Ultrasonication, sıvı ortamdaki parçacıkları deagglomera etmek ve dağıtmak için bu çekim kuvvetlerinin üstesinden gelir. Sıvılarda tozların dağılması ve deagglomerasyonu için, yüksek yoğunluklu ultrasonikasyon, yüksek basınçlı homojenizatörlere, yüksek parçalayıcı karıştırıcılara, boncuk değirmenlerine veya rotor-stator-karıştırıcılara ilginç bir alternatiftir.
Ultrasonik dispersiyon ve deagglomeration hakkında daha fazla bilgi için buraya tıklayın!

Ultrasonik Emülsifikasyon

Kozmetik ve cilt losyonları, farmasötik merhemler, vernikler, boyalar ve yağlayıcılar ve yakıtlar gibi çok çeşitli ara ürün ve tüketici ürünleri tamamen veya kısmen emülsiyonlara dayanmaktadır. Emülsiyonlar, iki veya daha fazla karışmayan sıvı fazın dispersiyonlarıdır. Yüksek yoğunluklu ultrason, bir sıvı fazı (dağınık faz) ikinci bir fazda (sürekli faz) küçük damlacıklar halinde dağıtmak için yeterli yoğun kesme sağlar. Dağılma bölgesinde, patlayan kavitasyon kabarcıkları, çevredeki sıvıda yoğun şok dalgalarına neden olur ve yüksek sıvı hızında (yüksek kesme) sıvı jetlerinin oluşumuna neden olur. Ultrasonikasyon, hedef emülsiyon boyutuna tam olarak uyarlanabilir ve böylece mikro emülsiyonların ve nano emülsiyonların güvenilir bir şekilde üretilmesine izin verir.
Ultrasonik emülsifikasyon hakkında daha fazla bilgi için buraya tıklayın!

Ultrasonik Islak Frezeleme ve Taşlama

Ultrasonication, parçacıkların ıslak öğütme ve mikro öğütme için etkili bir araçtır. Özellikle çok ince boyutlu bulamaçların üretimi için ultrasonun birçok avantajı vardır. Kolloid değirmenleri (örn. bilyalı değirmenler, boncuk değirmenleri), diskli değirmenler veya jet değirmenler gibi geleneksel boyut küçültme ekipmanlarından üstündür. Ultrasonication, yüksek konsantrasyonlu ve yüksek viskoziteli bulamaçları işleyebilir - bu nedenle işlenecek hacmi azaltır. Tabii ki, ultrasonik frezeleme, seramik, pigmentler, baryum sülfat, kalsiyum karbonat veya metal oksitler gibi mikron boyutlu ve nano boyutlu malzemeleri işlemek için uygundur. Özellikle nano-malzemeler söz konusu olduğunda, ultrasonikasyon, son derece etkili kesme kuvvetleri düzgün küçük nanopartiküller oluşturduğu için performansta mükemmeldir.
Ultrasonik ıslak frezeleme ve mikro taşlama hakkında daha fazla bilgi için buraya tıklayın!

Ultrasonik frezeleme öncesi ve sonrası püskürtülerek kurutulmuş TiO2

Ultrasonik Hücre Parçalanması ve Parçalanması

Ultrasonik tedavi, lifli, selülozik malzemeyi ince parçacıklara parçalayabilir ve hücre yapısının duvarlarını kırabilir. Bu, nişasta veya şeker gibi hücre içi materyalin daha fazlasını sıvıya salar. Bu etki, organik maddenin fermantasyonu, sindirimi ve diğer dönüşüm işlemleri için kullanılabilir. Öğütme ve öğütme işleminden sonra, ultrasonikasyon, nişastayı şekere dönüştüren enzimler için kullanılabilir hücre duvarı kalıntılarının yanı sıra nişasta gibi hücre içi materyalin daha fazlasını yapar. Ayrıca sıvılaştırma veya sakarifikasyon sırasında enzimlere maruz kalan yüzey alanını da arttırır. Bu tipik olarak, örneğin biyokütleden etanol üretimini artırmak için maya fermantasyonunun ve diğer dönüştürme işlemlerinin hızını ve verimini artırır.
Hücre yapılarının ultrasonik parçalanması hakkında daha fazla bilgi için buraya tıklayın!

botaniklerin ultrasonik ekstraksiyonu

Hücrelerde ve hücre altı partiküllerde depolanan biyoaktif bileşiklerin ekstraksiyonu, yüksek yoğunluklu ultrasonun yaygın olarak kullanılan bir uygulamasıdır. Ultrasonik ekstraksiyon, ikincil metabolitleri (örneğin polifenoller), polisakkaritleri, proteinleri, uçucu yağları ve diğer aktif bileşenleri bitkilerin ve mantarların hücresel matrisinden izole etmek için kullanılır. Organik bileşiklerin su ve çözücü ekstraksiyonu için uygun olan sonikasyon, bitkilerde veya tohumlarda bulunan botaniklerin verimini önemli ölçüde artırır. Ultrasonik ekstraksiyon, farmasötikler, nutrasötikler / besin takviyeleri, kokular ve biyolojik katkı maddelerinin üretimi için kullanılır. Ultrasonikler, biyorafinerilerde biyoaktif bileşenlerin ekstraksiyonu için de kullanılan yeşil bir ekstraksiyon tekniğidir, örneğin endüstriyel işlemlerde oluşan kullanılmayan yan ürün akışlarından değerli bileşikleri serbest bırakır. Ultrasonication, laboratuvar ve üretim ölçeğinde botanik ekstraksiyon için oldukça etkili bir teknolojidir.
Ultrasonik ekstraksiyon hakkında daha fazla bilgi için buraya tıklayın!

Ultrasoniklerin Sonokimyasal Uygulaması

Sonochemistry, ultrasonun kimyasal reaksiyonlara ve işlemlere uygulanmasıdır. Sıvılarda sonokimyasal etkilere neden olan mekanizma akustik kavitasyon olgusudur. Kimyasal reaksiyonlara ve işlemlere yönelik sonokimyasal etkiler, reaksiyon hızında veya çıktısında artış, daha verimli enerji kullanımı, faz transfer katalizörlerinin performansının iyileştirilmesi, metallerin ve katıların aktivasyonu veya reaktiflerin veya katalizörlerin reaktivitesinde artışı içerir.
Ultrasonun sonokimyasal etkileri hakkında daha fazla bilgi için buraya tıklayın!

Yağın Biyodizele Ultrasonik Transesterifikasyonu

Ultrasonikasyon, bitkisel yağların ve hayvansal yağların biyodizele transesterifikasyonunun kimyasal reaksiyon hızını ve verimini arttırır. Bu, üretimin toplu işlemeden sürekli akış işlemeye değiştirilmesine olanak tanır ve yatırım ve işletme maliyetlerini azaltır. Ultrasonik biyodizel üretiminin en büyük avantajlarından biri, kullanılmış yemeklik yağlar ve diğer düşük kaliteli yağ kaynakları gibi atık yağların kullanılmasıdır. Ultrasonik transesterifikasyon, düşük kaliteli hammaddeleri bile yüksek kaliteli biyodizele (yağ asidi metil ester / FAME) dönüştürebilir. Bitkisel yağlardan veya hayvansal yağlardan biyodizel üretimi, karşılık gelen metil esterleri veya etil esterleri vermek için yağ asitlerinin metanol veya etanol ile baz katalizli transesterifikasyonunu içerir. Ultrasonikasyon% 99'u aşan bir biyodizel verimi elde edebilir. Ultrason, işlem süresini ve ayırma süresini önemli ölçüde azaltır.
Yağın biyodizele ultrasonik destekli transesterifikasyonu hakkında daha fazla bilgi için buraya tıklayın!

Sıvıların ultrasonik gaz giderme ve havadan arındırılması

Sıvıların gazdan arındırılması, prob tipi ultrasonicators'ın bir başka önemli uygulamasıdır. Ultrasonik titreşimler ve kavitasyon, bir sıvı içinde çözünmüş gazların birleşmesine neden olur. Dakika gaz kabarcıkları birleştikçe, sıvının üst yüzeyine hızla yüzen daha büyük kabarcıklar oluştururlar, oradan çıkarılabilirler. Böylece, ultrasonik gaz giderme ve hava alma, çözünmüş gaz seviyesini doğal denge seviyesinin altına düşürebilir.
Sıvıların ultrasonik gazdan arındırılması hakkında daha fazla bilgi için buraya tıklayın!

Ultrasonik Tel, Kablo ve Şerit Temizliği

Ultrasonik temizleme, tel ve kablo, bant veya tüpler gibi sürekli malzemelerin temizlenmesi için çevre dostu bir alternatiftir. Güçlü ultrasonik kavitasyonun etkisi, malzeme yüzeyinden yağ veya gres, sabun, stearat veya toz gibi yağlama kalıntılarını giderir. Hielscher Ultrasonics, sürekli profillerin satır içi temizliği için çeşitli ultrasonik sistemler sunmaktadır.
Sürekli profillerin ultrasonik temizliği hakkında daha fazla bilgi için buraya tıklayın!

Sonication'ı Üstün Bir İşleme Yöntemi Yapan Nedir?

Sonikasyon veya sıvıları çalkalamak için yüksek frekanslı ses dalgalarının kullanılması, çeşitli nedenlerden dolayı verimli bir işleme yöntemidir. Yüksek yoğunluklu ve yaklaşık 20kHz düşük frekansta sonikasyonun sıvıların ve bulamaçların işlenmesi için özellikle etkili ve avantajlı olmasının bazı nedenleri şunlardır:

1. Kavitasyon: Sonikasyonun ana mekanizmalarından biri, kavitasyon adı verilen bir fenomen olan küçük baloncukların yaratılması ve çökmesidir. 20kHz'de ses dalgaları, baloncukları verimli bir şekilde oluşturmak ve çökertmek için doğru frekanstadır. Bu baloncukların çöküşü, parçacıkları parçalayabilen ve sonikasyon yapılan sıvıdaki hücreleri bozabilen yüksek enerjili şok dalgaları üretir.
2. Salınım ve titreşim: Üretilen akustik kavitasyonun yanı sıra, ultrasonik probun salınımı sıvıda ek çalkalama ve karıştırma yaratır, böylece kütle transferini ve / veya gaz gidermeyi teşvik eder.
3. Penetrasyon: 20kHz'deki ses dalgaları nispeten uzun bir dalga boyuna sahiptir ve bu da sıvılara derinlemesine nüfuz etmelerini sağlar. Ultrasonik kavitasyon, ultrasonik probun çevresinde ortaya çıkan lokalize bir fenomendir. Proba olan mesafe arttıkça kavitasyon yoğunluğu azalmaktadır. Bununla birlikte, 20kHz'de sonikasyon, daha kısa dalga boylarına sahip olan ve penetrasyon derinliğinde daha sınırlı olabilen daha yüksek frekanslı sonikasyona kıyasla daha büyük hacimlerde sıvıyı verimli bir şekilde tedavi edebilir.
4. Düşük enerji tüketimi: Sonikasyon, yüksek basınçlı homojenizasyon veya mekanik karıştırma gibi diğer işleme yöntemlerine kıyasla nispeten düşük enerji tüketimi ile gerçekleştirilebilir. Bu, onu sıvıları işlemek için daha enerji verimli ve uygun maliyetli bir yöntem haline getirir.
5. Doğrusal Ölçeklenebilirlik: Ultrasonik işlemler tamamen doğrusal olarak daha büyük veya daha küçük hacimlere ölçeklendirilebilir. Bu, ürün kalitesi sürekli olarak sabit tutulabildiği için üretimdeki proses uyarlamalarını güvenilir hale getirir.
6. Toplu ve satır içi akış: Ultrasonikasyon toplu olarak veya sürekli satır içi işlemler olarak gerçekleştirilebilir. Partilerin sonikasyonu için, ultrasonik prob açık kaba veya kapalı toplu reaktöre yerleştirilir. Sürekli bir akış akışının sonikasyonu için, bir ultrasonik akış hücresi kurulur. Sıvı ortam, sonotrotu (ultrasonik olarak titreşen çubuk) tek geçişte veya devridaim halinde geçer ve ultrason dalgalarına maruz kaldığında oldukça düzgün ve verimlidir.

Genel olarak, kavitasyonun yoğun kuvvetleri, düşük enerji tüketimi ve süreç ölçeklenebilirliği, düşük frekanslı, yüksek güçlü sonikasyonu sıvıları işlemek için etkili bir yöntem haline getirir.

Ultrasonik İşlemenin Çalışma Prensibi ve Kullanımı

Ultrasonication, büyük ölçekli üretim için çok sayıda endüstri tarafından benimsenmiş olan ticari bir işleme teknolojisidir. Yüksek güvenilirlik ve ölçeklenebilirliğin yanı sıra düşük bakım maliyetleri ve yüksek enerji verimliliği, ultrasonik işlemcileri geleneksel sıvı işleme ekipmanları için iyi bir alternatif haline getirir. Ultrason ek heyecan verici fırsatlar sunar: Kavitasyon - temel ultrasonik etki - biyolojik, kimyasal ve fiziksel süreçlerde benzersiz sonuçlar üretir. Örneğin, ultrasonik dispersiyon ve emülsifikasyon kolayca kararlı nano boyutlu formülasyonlar üretir. Ayrıca botanik ekstraksiyon alanında, ultrason biyoaktif bileşikleri izole etmek için termal olmayan bir tekniktir.

Düşük yoğunluklu veya yüksek frekanslı ultrason esas olarak analiz, tahribatsız muayene ve görüntüleme için kullanılırken, yüksek yoğunluklu ultrason, yoğun ultrason dalgalarının karıştırma, emülsifiye etme, dağıtma ve deagglomerasyon, hücre parçalanması veya enzim deaktivasyonu için kullanıldığı sıvıların ve macunların işlenmesi için kullanılır. Sıvıları yüksek yoğunluklarda sonikleştirirken, ses dalgaları sıvı ortamdan yayılır. Bu, frekansa bağlı oranlarla alternatif yüksek basınç (sıkıştırma) ve düşük basınç (nadirlik) döngüleri ile sonuçlanır. Düşük basınç döngüsü sırasında, yüksek yoğunluklu ultrasonik dalgalar sıvıda küçük vakum kabarcıkları veya boşluklar oluşturur. Kabarcıklar artık enerjiyi ememeyecekleri bir hacme ulaştıklarında, yüksek basınç döngüsü sırasında şiddetli bir şekilde çökerler. Bu fenomene kavitasyon denir. Patlama sırasında yerel olarak çok yüksek sıcaklıklara (yaklaşık 5.000K) ve basınçlara (yaklaşık 2.000atm) ulaşılır. Kavitasyon kabarcığının patlaması ayrıca saniyede 280 metre hıza kadar sıvı jetleri ile sonuçlanır.

Sıvılarda ultrasonik kavitasyon, hızlı ve tam gaz gidermeye neden olabilir; serbest kimyasal iyonlar (radikaller) üreterek çeşitli kimyasal reaksiyonlar başlatır; reaktanların karıştırılmasını kolaylaştırarak kimyasal reaksiyonları hızlandırmak; agregaları dağıtarak veya polimerik zincirlerdeki kimyasal bağları kalıcı olarak kırarak polimerizasyon ve depolimerizasyon reaksiyonlarını geliştirmek; emülsifikasyon oranlarını artırmak; difüzyon oranlarını iyileştirmek; yüksek konsantrasyonlu emülsiyonlar veya mikron boyutlu veya nano boyutlu malzemelerin homojen dispersiyonlarını üretmek; hayvan, bitki, maya veya bakteri hücrelerinden enzimler gibi maddelerin ekstraksiyonuna yardımcı olmak; virüsleri enfekte dokudan çıkarın; ve son olarak, mikroorganizmalar da dahil olmak üzere hassas parçacıkları aşındırın ve parçalayın. (bkz: kuldiloke 2002)

Yüksek yoğunluklu ultrason, sıvılardaki malzemeleri dağıtmak için kullanılabilen düşük viskoziteli sıvılarda şiddetli ajitasyon üretir. (Bkz. Ensminger, 1988) Sıvı/katı veya gaz/katı arayüzlerde, kavitasyon kabarcıklarının asimetrik patlaması, difüzyon sınır tabakasını azaltan, konveksiyon kütle transferini artıran ve sıradan karıştırmanın mümkün olmadığı sistemlerde difüzyonu önemli ölçüde hızlandıran aşırı türbülanslara neden olabilir. (bkz. Nyborg, 1965)

Edebiyat