Sıvılarda Ultrasonik Kavitasyon

Ultrasonik kavitasyon, yüksek yoğunluklu ultrasonik sıvı işlemenin arkasındaki itici güçtür. Güçlü ultrason bir sıvıya aktarıldığında, mikroskobik buhar kabarcıkları oluşur, büyür ve şiddetle çöker. Bu akustik kavitasyon; homojenizasyonu, dispersiyonu, emülsifikasyonu, ekstraksiyonu, gaz gidermeyi, hücre parçalamayı ve sonokimyasal reaksiyonları hızlandırabilen yoğun yerel kesme kuvvetleri, mikrojetler, şok dalgaları, basınç değişimleri ve mikro karıştırma etkileri oluşturur.

Hielscher prob tipi sonikatörleri, ultrasonik enerjiyi doğrudan sıvılara, süspansiyonlara ve bulamaçlara aktarmak için kontrollü akustik kavitasyon kullanır. Küçük laboratuvar numunelerinden sürekli endüstriyel akışlı üretime kadar Hielscher sistemleri, tekrarlanabilir kavitasyon sonuçları için genliği, sonotrot geometrisini, basıncı, sıcaklığı, debiyi ve kalış süresini ayarlamanıza olanak tanır.

• Laboratuvarlar için: küçük hacimlerde sonikasyon parametrelerini geliştirin ve optimize edin.
• Pilot tesisler için: kavitasyona dayalı prosesleri gerçekçi işleme koşullarında doğrulayın.
• Üretim için: ultrasonik kavitasyonu kesikli, resirkülasyonlu veya sürekli hat içi proseslere ölçeklendirin.

Ultrasonik Kavitasyonun Çalışma Prensibi

Sıvılar yüksek yoğunluklarda sonikasyona tabi tutulduğunda, sıvı ortamda yayılan ses dalgaları, frekansa bağlı hızlarda birbirini izleyen yüksek basınç (sıkışma) ve düşük basınç (seyrelme) döngülerine yol açar. Düşük basınç döngüsü sırasında, yüksek yoğunluklu ultrasonik dalgalar sıvıda küçük vakum kabarcıkları veya boşluklar oluşturur. Kabarcıklar artık enerji soğuramayacakları bir hacme ulaştığında, yüksek basınç döngüsü sırasında şiddetle çöker. Bu olguya kavitasyon denir. İçe çökme sırasında yerel olarak çok yüksek sıcaklıklara (yaklaşık 5.000K) ve basınçlara (yaklaşık 2.000atm) ulaşılır. Kavitasyon kabarcığının içe çökmesi ayrıca hızı 280m/s’ye kadar ulaşan sıvı jetlerine yol açar.

Akustik kavitasyon (güç ultrasonu ile oluşturulan), yerel olarak aşırı koşullar, sonomekanik ve sonokimyasal olarak adlandırılan etkiler oluşturur. Bu etkiler sayesinde sonikasyon, daha yüksek verimler, daha yüksek reaksiyon hızı, yeni reaksiyon yolları ve daha iyi genel verimlilik sağlayan kimyasal reaksiyonları teşvik eder.

Sonikatörlerin ve Akustik Kavitasyonun Başlıca Uygulamaları

Ultrasonik problar olarak da bilinen prob tipi sonikatörler, sıvılarda yoğun akustik kavitasyonu verimli biçimde oluşturur. Bu nedenle, farklı sektörlerde çeşitli uygulamalarda yaygın olarak kullanılırlar. Prob tipi sonikatörlerle oluşturulan akustik kavitasyonun en önemli uygulamalarından bazıları şunlardır:
 

1. Homojenizasyon: Ultrasonik problar, enerji yoğunluğu yüksek bir titreşim ve kesme kuvvetleri alanı olarak tanımlanan yoğun kavitasyon oluşturabilir. Bu kuvvetler mükemmel karıştırma, harmanlama ve parçacık boyutu küçültme sağlar. Ultrasonik homojenizasyon, eşit biçimde karışmış süspansiyonlar üretir. Bu nedenle sonikasyon, dar dağılım eğrilerine sahip homojen kolloidal süspansiyon üretmek için kullanılır.
2. Nanoparçacık Dispersiyonu: Sonikatörler, nanoparçacıkların dispersiyonu, deaglomerasyonu ve yaş öğütülmesi için kullanılır. Düşük frekanslı ultrason dalgaları, aglomeraları parçalayan ve parçacık boyutunu küçülten etkili kavitasyon oluşturabilir. Özellikle sıvı jetlerinin yüksek kesme etkisi, sıvıdaki parçacıkları hızlandırır; parçacıklar birbirleriyle çarpışır (parçacıklar arası çarpışma) ve bunun sonucunda kırılır ve aşınır. Bu, çökelmeyi önleyen düzgün ve kararlı bir parçacık dağılımı sağlar. Bu özellik, nanoteknoloji, malzeme bilimi ve ilaç sektörü dahil çeşitli alanlarda kritik öneme sahiptir.
3. Emülsifikasyon ve Karıştırma: Prob tipi sonikatörler, emülsiyon oluşturmak ve sıvıları karıştırmak için kullanılır. Ultrasonik enerji, mikroskobik kabarcıkların oluşması ve çökmesi olan kavitasyona neden olur; bu da yoğun yerel kesme kuvvetleri oluşturur. Bu proses, birbiriyle karışmayan sıvıların emülsifiye edilmesine yardımcı olarak kararlı ve ince dağılmış emülsiyonlar üretir.
4. Ekstraksiyon: Kavitasyon kaynaklı kesme kuvvetleri sayesinde sonikatörler, hücresel yapıların parçalanmasında ve katı ile sıvı arasındaki kütle transferinin iyileştirilmesinde yüksek verimlilik sağlar. Bu nedenle ultrasonik ekstraksiyon, yüksek kaliteli bitkisel ekstraktların üretimi için biyoaktif bileşikler gibi hücre içi maddelerin serbest bırakılmasında yaygın olarak kullanılır.
5. Gaz Giderme ve Hava Giderme: Prob tipi sonikatörler, sıvılardan gaz kabarcıklarını veya çözünmüş gazları uzaklaştırmak için kullanılır. Ultrasonik kavitasyon uygulaması, gaz kabarcıklarının birleşmesini teşvik eder; böylece kabarcıklar büyür ve sıvının üst yüzeyine yükselir. Ultrasonik kavitasyon, gaz gidermeyi hızlı ve verimli bir işlem haline getirir. Bu özellik, gazların varlığının ürün kalitesini ve kararlılığını olumsuz etkileyebildiği boya, hidrolik sıvılar veya gıda ve içecek işleme gibi çeşitli sektörlerde değerlidir.
6. Sonokataliz: Ultrasonik problar, kimyasal reaksiyonları geliştirmek için akustik kavitasyonu katalizörlerle birleştiren bir proses olan sonokatalizde kullanılabilir. Ultrasonik dalgaların oluşturduğu kavitasyon, kütle transferini iyileştirir, reaksiyon hızlarını artırır ve serbest radikallerin üretimini teşvik ederek daha verimli ve seçici kimyasal dönüşümler sağlar.
7. Numune Hazırlama: Prob tipi sonikatörler, laboratuvarlarda numune hazırlamak için yaygın olarak kullanılır. Hücreler, dokular ve virüsler gibi biyolojik numuneleri homojenize etmek, kümelerini dağıtmak ve bu numunelerden ekstraksiyon yapmak için kullanılırlar. Probun oluşturduğu ultrasonik enerji, hücre zarlarını parçalayarak hücresel içerikleri serbest bırakır ve sonraki analizleri kolaylaştırır.
8. Dağılma ve Hücre Parçalama: Prob tipi sonikatörler, hücre içi bileşenlerin ekstraksiyonu, mikrobiyal inaktivasyon veya analiz için numune hazırlama gibi çeşitli amaçlarla hücreleri ve dokuları dağıtmak ve parçalamak için kullanılır. Yüksek yoğunluklu ultrasonik dalgalar ve bunların oluşturduğu kavitasyon, mekanik gerilime ve kesme kuvvetlerine neden olarak hücresel yapıların dağılmasına yol açar. Biyolojik araştırmalarda ve tıbbi tanıda, prob tipi sonikatörler hücre içi bileşenleri serbest bırakmak için hücrelerin açılarak parçalandığı bir proses olan hücre lizisi için kullanılır. Ultrasonik enerji, hücre duvarlarını, zarlarını ve organellerini parçalayarak proteinlerin, DNA’nın, RNA’nın ve diğer hücresel bileşenlerin ekstraksiyonunu mümkün kılar.

 
Bunlar, prob tipi sonikatörlerin başlıca uygulamalarından bazılarıdır; ancak teknoloji, ilaç, gıda işleme, biyoteknoloji ve çevre bilimleri gibi çeşitli sektörlerde sonokimya, parçacık boyutu küçültme (yaş öğütme), aşağıdan yukarıya parçacık sentezi ve kimyasal maddeler ile malzemelerin sonosentezi dahil daha da geniş bir kullanım alanına sahiptir.

Suda bir grafit pulunun sonomekanik eksfoliasyonunu gösteren yüksek hızlı kare dizisi (a’dan f’ye), 3-mm sonotrotlu 200W UP200S sonikatörü kullanılarak gerçekleştirilen eksfoliasyonu gösterir. Oklar, kavitasyon kabarcıklarının yarığa girmesiyle parçacıkların ayrıldığı yeri gösterir.
© Tyurnina et al. 2020

Aşağıdaki tablo, sonikatörlerimizin yaklaşık işleme kapasitesi hakkında fikir verir:

Sıvıda Akustik Kavitasyon Videosu

Aşağıdaki video, su dolu bir cam kolonda UIP1000hdT sonikatörünün cascatrode’unda oluşan akustik kavitasyonu gösterir. Kavitasyon kabarcıklarının daha iyi görülebilmesi için cam kolon alttan kırmızı ışıkla aydınlatılır.