Ультразвукова обробка рідин, суспензій та хімічних реакцій

Ультразвукова обробка – це механічний метод обробки, який створює акустичну кавітацію та надзвичайно інтенсивні фізичні сили. Тому ультразвук використовується для численних застосувань, таких як змішування, гомогенізація, млинова обробка, диспергування, емульгування, екстрагування, дегазація та сонохімічні реакції.

Знайдіть своє застосування в таблиці нижче, натисніть посилання та перейдіть безпосередньо до цікавого вам процесу! Дізнайтеся, як ультразвукова обробка покращує процес та його ефективність.

Ультразвукова гомогенізація

Ультразвукові гомогенізатори зменшують розмір малих частинок у рідині для покращення однорідності та стабільності дисперсії. Частинки (дисперсна фаза) можуть бути твердими речовинами або рідкими краплями, підвішеними в рідкій фазі. Ультразвукова гомогенізація дуже ефективна для зменшення розміру м’яких та твердих частинок. Hielscher виробляє ультразвукові обробники для гомогенізації будь-якого обсягу рідини та для партійної або поточної обробки. Лабораторні ультразвукові пристрої можна використовувати для обсягів від 1,5mL до приблизно 4L. Промислові ультразвукові пристрої можуть обробляти партії від 0,5 до приблизно 2000L або потоки від 0,1L до 20 кубічних метрів на годину при розробці процесів та у комерційному виробництві.
Відкрийте силу ультразвукової гомогенізації!

Ультразвукове диспергування та деагломерація

Диспергування та деагломерація твердих речовин у рідинах є важливим застосуванням ультразвукових обробників зондового типу. Ультразвукова / акустична кавітація генерує високі зсувні сили, які розбивають агломерати частинок на окремі, дисперговані частинки. Змішування порошків у рідинах є загальним етапом у формулюванні різних продуктів, таких як фарби, лаки, косметичні продукти, харчові продукти та напої, або полірувальні середовища. Окремі частинки утримуються разом силами притягання різної фізичної та хімічної природи, включаючи сили ван-дер-Ваальса та поверхневий натяг рідини. Ультразвукова обробка переборює ці сили притягання, щоб деагломерувати та диспергувати частинки в рідких середовищах. Для диспергування та деагломерації порошків у рідинах високоефективна ультразвукова обробка є цікавою альтернативою гомогенізаторам високого тиску, високоефективним змішувачам, кульовим млинам або роторно-статорним змішувачам.
Отримайте детальну інформацію про ультразвукове диспергування та деагломерацію!

Ультразвукове емульгування

Широкий спектр проміжних і споживчих продуктів, таких як косметика та лосьйони для шкіри, фармацевтичні мазі, лаки, фарби, мастила та паливо, повністю або частково базується на емульсіях. Емульсії – це дисперсії двох або більше взаємно нерозчинних рідких фаз. Високоінтенсивний ультразвук забезпечує достатньо інтенсивний зсув для диспергування рідкої фази (дисперсної фази) у вигляді дрібних крапель у другій фазі (безперервній фазі). У зоні диспергування імплодуючі кавітаційні бульбашки спричиняють інтенсивні ударні хвилі в навколишній рідині та призводять до утворення рідинних струменів із високою швидкістю рідини (високий зсув). Ультразвукову обробку можна точно адаптувати до цільового розміру емульсії, що дозволяє надійно виробляти мікоемульсії та наноемульсії.
Натисніть тут, щоб дізнатися більше про ультразвукове емульгування!

Ультразвукове мокре подрібнення та шліфування

Ультразвукова обробка є ефективним засобом для мокрого подрібнення та мікрошліфування частинок. Особливо для виробництва наддрібних суспензій ультразвук має багато переваг. Він перевищує традиційне обладнання для зменшення розміру, таке як: колоїдні млини (наприклад, кульові млини, млини з наповнювачем), дискові млини або струменеві млини. Ультразвукова обробка може обробляти суспензії з високою концентрацією та високою в’язкістю – отже, зменшуючи об’єм, що підлягає обробці. Звичайно, ультразвукове подрібнення підходить для обробки матеріалів розміром від мікро- до нанорівня, таких як кераміка, пігменти, сульфат барію, карбонат кальцію або оксиди металів. Особливо коли мова йде про наноматеріали, ультразвукова обробка перевищує за продуктивністю, оскільки її високоефективні зсувні сили створюють однорідні дрібні наночастинки.
Дізнайтеся більше про ультразвукове мокре подрібнення та мікрошліфування!

TiO2, висушений розпиленням, до та після ультразвукового подрібнення

Ультразвукове руйнування клітин та лізис

Ультразвукова обробка може руйнувати волокнистий целюлозний матеріал на дрібні частинки та руйнувати стінки клітинної структури. Це вивільняє більше внутрішньоклітинного матеріалу, такого як крохмаль або цукор, у рідину. Цей ефект можна використовувати для ферментації, травлення та інших процесів перетворення органічних речовин. Після подрібнення та шліфування ультразвукова обробка робить більше внутрішньоклітинного матеріалу, наприклад крохмалю, а також залишків клітинних стінок доступними для ферментів, які перетворюють крохмаль на цукри. Це також збільшує площу поверхні, доступну для ферментів під час зрідження або цукрування. Це зазвичай збільшує швидкість та вихід дріжджової ферментації та інших процесів перетворення, наприклад, для підвищення виробництва етанолу з біомаси.
Дізнайтеся більше про ультразвукове руйнування клітинних структур!

Ультразвукова екстракція рослинних матеріалів

Екстракція біоактивних сполук, що зберігаються в клітинах та субклітинних частинках, є широко використовуваною застосуванням високоінтенсивного ультразвуку. Ультразвукова екстракція використовується для ізоляції вторинних метаболітів (наприклад, поліфенолів), полісахаридів, білків, ефірних олій та інших активних інгредієнтів з клітинної матриці рослин та грибів. Підходить для водної та розчинної екстракції органічних сполук, ультразвукова обробка значно покращує вихід рослинних матеріалів, що містяться в рослинах або насінні. Ультразвукова екстракція використовується для виробництва фармацевтичних препаратів, нутрицевтиків / харчових добавок, ароматизаторів та біологічних добавок. Ультразвук є зеленою технікою екстракції, яка також використовується для екстракції біоактивних компонентів у біопереробних заводах, наприклад, для вивільнення цінних сполук з невикористовуваних побічних потоків, що утворюються в промислових процесах. Ультразвукова обробка є високоефективною технологією для екстракції рослинних матеріалів у лабораторному та виробничому масштабах.
Дослідіть переваги ультразвукової екстракції!

Сонохімічне застосування ультразвуку

Сонохімія – це застосування ультразвуку до хімічних реакцій і процесів. Механізмом, що спричиняє сонохімічні ефекти в рідинах, є явище акустичної кавітації. Сонохімічні ефекти щодо хімічних реакцій і процесів включають збільшення швидкості реакції або виходу продукту, ефективніше використання енергії, покращення ефективності каталізаторів фазового перенесення, активацію металів і твердих речовин або підвищення реакційної здатності реагентів чи каталізаторів.
Дослідіть сонохімічні ефекти ультразвуку!

Ультразвукова переетерифікація (відпрацьованої) олії в біодизель

Ультразвукова обробка збільшує швидкість хімічної реакції та вихід продукту переетерифікації рослинних олій і тваринних жирів у біодизель. Це дозволяє змінити виробництво з періодичного на безперервний поточний процес і зменшує інвестиційні та експлуатаційні витрати. Однією з головних переваг виробництва біодизелю за допомогою ультразвуку є використання відпрацьованих олій, таких як відпрацьована олія для смаження та інші джерела олії низької якості. Ультразвукова переетерифікація може перетворити навіть сировину низької якості на біодизель високої якості (метилові ефіри жирних кислот / FAME). Виробництво біодизелю з рослинних олій або тваринних жирів включає переетерифікацію жирних кислот з метанолом або етанолом, каталізовану основою, для отримання відповідних метилових або етилових ефірів. Ультразвукова обробка може забезпечити вихід біодизелю понад 99%. Ультразвук значно скорочує час обробки та час розділення.
Натисніть тут, щоб дізнатися більше про переетерифікацію олії в біодизель за допомогою ультразвуку!

Ультразвукове дегазування, деаерація та дефамінгування рідин

Дегазування рідин – це ще одна важлива сфера застосування ультразвукових апаратів зондового типу. Ультразвукові вібрації та кавітація спричиняють коалесценцію розчинених газів у рідині. Коли дрібні газові бульбашки коалесціюють, вони утворюють більші бульбашки, які швидко спливають на верхню поверхню рідини, звідки їх можна видалити. Таким чином, ультразвукове дегазування та деаерація можуть знизити рівень розчиненого газу нижче природного рівня рівноваги.
Натисніть тут, щоб дізнатися більше про ультразвукове дегазування рідин!

Ультразвукове очищення дроту, кабелів і стрічок

Ультразвукове очищення – це екологічно безпечна альтернатива для очищення безперервних матеріалів, таких як дріт і кабель, стрічка або трубки. Ефект потужної ультразвукової кавітації видаляє залишки мастила, такі як олія або жир, мила, стеарати або пил з поверхні матеріалу. Hielscher Ultrasonics пропонує різні ультразвукові системи для безперервного очищення профілів.
Натисніть тут для отримання додаткової інформації про ультразвукове очищення безперервних профілів!

Що робить ультразвукову обробку Superior Processing Method?

Ультразвукова обробка, або використання високочастотних звукових хвиль для перемішування рідин, є ефективним методом обробки з різних причин. Ось деякі причини, чому ультразвукова обробка високої інтенсивності та низької частоти приблизно 20kHz є особливо впливовою та вигідною для обробки рідин і суспензій:

1. Кавітація: Один із основних механізмів ультразвукової обробки – це створення та колапс крихітних бульбашок, явище, яке називається кавітацією. При 20kHz звукові хвилі мають саме ту частоту, щоб ефективно створювати та руйнувати бульбашки. Колапс цих бульбашок створює високоенергетичні ударні хвилі, які можуть руйнувати частинки та порушувати клітини в рідині, що обробляється ультразвуком.
2. Коливання та вібрація: Окрім створеної акустичної кавітації, коливання ультразвукового зонда створюють додаткове перемішування та змішування в рідині, сприяючи масопереносу та/або дегазуванню.
3. Проникнення: Звукові хвилі частотою 20kHz мають відносно велику довжину хвилі, що дозволяє їм глибоко проникати в рідини. Ультразвукова кавітація – це локалізований явище, яке виникає в оточенні ультразвукового зонда. Зі збільшенням відстані до зонда інтенсивність кавітації зменшується. Однак ультразвукова обробка при 20kHz може ефективно обробляти більші об’єми рідини порівняно з ультразвуковою обробкою на вищих частотах, яка має коротші довжини хвиль і може бути більш обмеженою у глибині проникнення.
4. Низьке енергоспоживання: Ультразвукова обробка може здійснюватися з відносно низьким енергоспоживанням порівняно з іншими методами обробки, такими як високо-тискна гомогенізація або механічне перемішування. Це робить її більш енергоефективним та економічно вигідним методом обробки рідин.
5. Лінійна масштабованість: Ультразвукові процеси можна повністю лінійно масштабувати до більших або менших об’ємів. Це робить адаптацію процесів у виробництві надійною, оскільки якість продукту може підтримуватися постійно стабільною.
6. Партионна та потокова обробка: Ультразвукову обробку можна проводити як партіями або як безперервні потокові процеси. Для ультразвукової обробки партій ультразвуковий зонд вводять у відкриту ємність або закритий реактор для партій. Для ультразвукової обробки потоку безперервної дії встановлюють ультразвукову проточну комірку. Рідке середовище проходить повз сонотрод (ультразвуково-вібруючий стрижень) за один прохід або через рециркуляцію і піддається високій однорідній та ефективній дії ультразвукових хвиль.

Загалом, інтенсивні сили кавітації, низьке енергоспоживання та масштабованість процесу роблять низькочастотну, високопотужну ультразвукову обробку ефективним методом обробки рідин.

Принцип дії та застосування ультразвукової обробки

Ультразвукова обробка – це комерційна технологія обробки, яка була прийнята численними галузями промисловості для великомасштабного виробництва. Висока надійність та масштабованість, а також низькі витрати на обслуговування та висока енергоефективність роблять ультразвукові процесори хорошою альтернативою традиційному обладнанню для обробки рідин. Ультразвук пропонує додаткові захопливі можливості: кавітація – базовий ультразвуковий ефект – створює унікальні результати в біологічних, хімічних та фізичних процесах. Наприклад, ультразвукова дисперсія та емульгація легко створюють стабільні нанорозмірні формуляції. Також у сфері ботанічної екстракції ультразвук є нетермічним методом ізоляції біоактивних сполук.

Ультразвукове змішування базується на акустичній кавітації та її гідродинамічних зсувних силах.

Хоча ультразвук низької інтенсивності або високої частоти використовується переважно для аналізу, неруйнівного контролю та візуалізації, ультразвук високої інтенсивності застосовується для обробки рідин і паст, де інтенсивні ультразвукові хвилі використовуються для змішування, емульгування, диспергування та деагломерації, руйнування клітин або деактивації ферментів. Під час ультразвукової обробки рідин при високій інтенсивності звукові хвилі поширюються через рідкі середовища. Це призводить до чергування циклів високого тиску (стиснення) і низького тиску (розрідження), частота яких залежить від частоти. Під час циклу низького тиску ультразвукові хвилі високої інтенсивності створюють у рідині невеликі вакуумні бульбашки або порожнини. Коли бульбашки досягають об’єму, за якого вони більше не можуть поглинати енергію, вони різко колапсують під час циклу високого тиску. Це явище називається кавітацією. Під час імплозії локально досягаються дуже високі температури (прибл. 5 000K) і тиски (прибл. 2 000atm). Імплозія кавітаційної бульбашки також призводить до утворення рідинних струменів зі швидкістю до 280 метрів за секунду.

Ультразвукова кавітація в рідинах може спричиняти швидке та повне дегазування; ініціювати різноманітні хімічні реакції шляхом генерації вільних хімічних іонів (радикалів); прискорювати хімічні реакції, полегшуючи змішування реагентів; посилювати реакції полімеризації та деполімеризації шляхом диспергування агрегатів або шляхом незворотного розриву хімічних зв’язків у полімерних ланцюгах; збільшувати швидкість емульгування; покращувати швидкість дифузії; виробляти висококонцентровані емульсії або однорідні дисперсії матеріалів розміром від мікро- до нанометрів; сприяти екстракції речовин, таких як ферменти, з тваринних, рослинних, дріжджових або бактеріальних клітин; видаляти віруси з інфікованої тканини; і, нарешті, еродувати та руйнувати чутливі частинки, включаючи мікроорганізми. (пор. Kuldiloke 2002)

Ультразвук високої інтенсивності створює бурхливе перемішування в рідинах із низькою в’язкістю, що можна використовувати для диспергування матеріалів у рідинах. (пор. Ensminger, 1988) На межах розділу рідина/тверде тіло або газ/тверде тіло асиметрична імплозія кавітаційних бульбашок може спричиняти екстремальну турбулентність, яка зменшує дифузійний граничний шар, збільшує конвективний масоперенос і значно прискорює дифузію в системах, де звичайне змішування неможливе. (пор. Nyborg, 1965)

Література

• Seyed Mohammad Mohsen Modarres-Gheisari, Roghayeh Gavagsaz-Ghoachani, Massoud Malaki, Pedram Safarpour, Majid Zandi (2019): Ultrasonic nano-emulsification – A review. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 52, 2019. 88-105.
• Suslick, Kenneth S.; Hyeon, Taeghwan; Fang, Mingming; Cichowlas, Andrzej A. (1995): Sonochemical synthesis of nanostructured catalysts. Materials Science and Engineering: A. Proceedings of the Symposium on Engineering of Nanostructured Materials. ScienceDirect 204 (1–2): 186–192.
• Brad W. Zeiger; Kenneth S. Suslick (2011): Sonofragmentation of Molecular Crystals. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 37, 14530–14533.
• Petigny L., Périno-Issartier S., Wajsman J., Chemat F. (2013): Batch and Continuous Ultrasound Assisted Extraction of Boldo Leaves (Peumus boldus Mol.). International Journal of Molecular Science 14, 2013. 5750-5764.
• Ensminger, D. E. (1988): Acoustic and electroacoustic methods of dewatering and drying, in: Drying Tech. 6, 473 (1988).
• Kuldiloke, J. (2002): Effect of Ultrasound, Temperature and Pressure Treatments on Enzyme Activity an Quality Indicators of Fruit and Vegetable Juices; Ph.D. Thesis at Technische Universität Berlin (2002).
• Nyborg, W.L. (1965): Acoustic Streaming, Vol. 2B, Academic Press, New York (1965).