Sıvılarda Ultrasonik Kavitasyon

Yüksek yoğunluklu ultrasonun ultrasonik dalgaları sıvılarda akustik kavitasyon oluşturur. Kavitasyon, yerel olarak 1000 km/saate kadar sıvı jetleri, 2000 atm'ye kadar basınçlar ve 5000 Kelvin'e kadar sıcaklıklar gibi aşırı etkilere neden olur. Ultrasonik olarak üretilen bu kuvvetler, homojenizasyon, dispersiyon, emülsifikasyon, ekstraksiyon, hücre bozulması ve kimyasal reaksiyonların yoğunlaştırılması gibi çok sayıda sıvı işleme uygulaması için kullanılır.

Ultrasonik Kavitasyonun Çalışma Prensibi

Sıvıları yüksek yoğunluklarda sonikleştirirken, sıvı ortama yayılan ses dalgaları, frekansa bağlı oranlarla alternatif yüksek basınç (sıkıştırma) ve düşük basınç (nadirlik) döngülerine neden olur. 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 balonunun patlaması ayrıca 280m/s hıza kadar sıvı jetleri ile sonuçlanır.

Akustik kavitasyon (güç ultrasonu tarafından üretilir), sonomekanik ve sonokimyasal etkiler olarak adlandırılan yerel olarak aşırı koşullar yaratır. Bu etkiler nedeniyle, sonikasyon, daha yüksek verimlere, daha hızlı reaksiyon hızına, yeni yollara ve gelişmiş genel verimliliğe yol açan kimyasal reaksiyonları teşvik eder.

Akustik Kavitasyon Kullanan Ultrasonikatörlerin Temel Uygulamaları

Ultrasonik problar olarak da bilinen prob tipi ultrasonicators, sıvılarda verimli bir şekilde yoğun akustik kavitasyon oluşturur. Bu nedenle, farklı endüstrilerdeki çeşitli uygulamalarda yaygın olarak kullanılırlar. Prob tipi ultrasonicators tarafından üretilen akustik kavitasyonun en önemli uygulamalarından bazıları şunlardır:
 

1. Homojenizasyon: Ultrasonik problar, enerji yoğun bir titreşim alanı ve kesme kuvvetleri olarak karakterize edilen yoğun kavitasyon üretebilir. Bu kuvvetler mükemmel karıştırma, harmanlama ve partikül boyutunun küçültülmesini sağlar. Ultrasonik homojenizasyon, eşit şekilde karıştırılmış süspansiyonlar üretir. Bu nedenle, sonikasyon, dar dağılım eğrileri ile homojen kolloidal süspansiyon üretmek için kullanılır.
2. Nanopartikül Dağılımı: Ultrasonikatörler, nanopartiküllerin dispersiyonu, deagglomerasyonu ve ıslak öğütme için kullanılır. Düşük frekanslı ultrason dalgaları, topakları parçalayan ve parçacık boyutunu azaltan etkili kavitasyon oluşturabilir. Özellikle, sıvı jetlerinin yüksek kesmesi, sıvıdaki parçacıkları hızlandırır, bu da birbiriyle çarpışır (partiküller arası çarpışma), böylece parçacıklar sonuç olarak kırılır ve aşınır. Bu, tortulaşmayı önleyen parçacıkların düzgün ve kararlı dağılımı ile sonuçlanır. Bu, nanoteknoloji, malzeme bilimi ve farmasötikler dahil olmak üzere çeşitli alanlarda çok önemlidir.
3. Emülsifikasyon ve Karıştırma: Prob tipi ultrasonicators emülsiyonlar oluşturmak ve sıvıları karıştırmak için kullanılır. Ultrasonik enerji kavitasyona, mikroskobik kabarcıkların oluşumuna ve çökmesine neden olur ve bu da yoğun yerel kesme kuvvetleri oluşturur. Bu işlem, karışmayan sıvıların emülsifiye edilmesine, kararlı ve ince dağılmış emülsiyonların üretilmesine yardımcı olur.
4. Çıkarma: Kavitasyonel kesme kuvvetleri nedeniyle, ultrasonicators hücresel yapıları bozmada ve katı ile sıvı arasındaki kütle transferini geliştirmek için oldukça etkilidir. Bu nedenle, ultrasonik ekstraksiyon, yüksek kaliteli botanik özlerin üretimi için biyoaktif bileşikler gibi hücre içi materyalleri serbest bırakmak için yaygın olarak kullanılmaktadır.
5. Gaz Giderme ve Hava Alma: Prob tipi ultrasonicators, sıvılardan gaz kabarcıkları veya çözünmüş gazları çıkarmak için kullanılır. Ultrasonik kavitasyon uygulaması, gaz kabarcıklarının birleşmesini teşvik eder, böylece büyürler ve sıvının üstüne çıkarlar. Ultrasonik kavitasyon, gaz gidermeyi hızlı ve verimli bir prosedür haline getirir. Bu, gazların varlığının ürün kalitesini ve stabilitesini olumsuz etkileyebileceği boyalar, hidrolik sıvılar veya yiyecek ve içecek işleme gibi çeşitli endüstrilerde değerlidir.
6. Sonokataliz: Ultrasonik problar, kimyasal reaksiyonları geliştirmek için akustik kavitasyonu katalizörlerle birleştiren bir işlem olan sonokataliz için kullanılabilir. Ultrasonik dalgalar tarafından üretilen kavitasyon, kütle transferini iyileştirir, reaksiyon hızlarını artırır ve serbest radikallerin üretimini teşvik ederek daha verimli ve seçici kimyasal dönüşümlere yol açar.
7. Örnek Hazırlama: Prob tipi ultrasonicators, laboratuvarlarda numune hazırlama için yaygın olarak kullanılmaktadır. Hücreler, dokular ve virüsler gibi biyolojik numuneleri homojenleştirmek, ayrıştırmak ve çıkarmak için kullanılırlar. Prob tarafından üretilen ultrasonik enerji, hücre zarlarını bozar, hücresel içeriği serbest bırakır ve daha fazla analizi kolaylaştırır.
8. Parçalanma ve Hücre Bozulması: Prob tipi ultrasonicators, hücre içi bileşenlerin ekstraksiyonu, mikrobiyal inaktivasyon veya analiz için numune hazırlama gibi çeşitli amaçlar için hücreleri ve dokuları parçalamak ve bozmak için kullanılır. Yüksek yoğunluklu ultrasonik dalgalar ve bu şekilde üretilen kavitasyon, mekanik strese ve kesme kuvvetlerine neden olarak hücre yapılarının parçalanmasına neden olur. Biyolojik araştırma ve tıbbi teşhislerde, prob tipi ultrasonicators, hücre içi bileşenlerini serbest bırakmak için açık hücreleri kırma işlemi olan hücre lizisi için kullanılır. Ultrasonik enerji, hücre duvarlarını, zarları ve organelleri bozarak proteinlerin, DNA'nın, RNA'nın ve diğer hücresel bileşenlerin ekstraksiyonunu sağlar.

 
Bunlar, prob tipi ultrasonicators'ın temel uygulamalarından bazılarıdır, ancak teknoloji, sonochemistry, parçacık boyutu azaltma (ıslak frezeleme), aşağıdan yukarıya parçacık sentezi ve kimyasal maddelerin sono-sentezi dahil olmak üzere daha geniş bir kullanım yelpazesine sahiptir ve ilaç, gıda işleme, biyoteknoloji ve çevre bilimleri gibi çeşitli endüstrilerde malzemeler.

Bir grafit pulunun suda sono-mekanik pul pul dökülmesini gösteren yüksek hızlı bir kare dizisi (a'dan f'ye) UP200S'yi kullanarak, 3 mm sonotrotlu 200W'lık bir ultrasonikatör. Oklar, bölünmeye nüfuz eden kavitasyon kabarcıkları ile ayrılma parçacıklarının yerini gösterir.
© Tyurnina ve ark. 2020

Sıvıda akustik kavitasyon videosu

Aşağıdaki video, su dolu bir cam sütunda ultrasonicator UIP1000hdT'nin kaskadrında akustik kavitasyonu göstermektedir. Kavitasyon kabarcıklarının görselleştirilmesini iyileştirmek için cam kolon alttan kırmızı ışıkla aydınlatılır.

Aşağıdaki tablo size ultrasonicators'ımızın yaklaşık işleme kapasitesinin bir göstergesini verir: