Ультразвук: застосування та процеси
Ультразвук – це механічний метод обробки, який створює акустичну кавітацію та високоінтенсивні фізичні сили. Тому ультразвук використовується для численних застосувань, таких як змішування, гомогенізація, подрібнення, диспергування, емульгування, екстракція, дегазація та сонохімічні реакції.
Нижче ви дізнаєтеся все про типові ультразвукові програми та процеси.
ультразвукова гомогенізація
Ультразвукові гомогенізатори зменшують дрібні частинки в рідині для поліпшення однорідності та стабільності дисперсії. Частинками (дисперсна фаза) можуть бути тверді речовини або краплі рідини, зважені в рідкій фазі. Ультразвукова гомогенізація дуже ефективна для зменшення м'яких і твердих частинок. Hielscher виробляє ультразвукові апарати для гомогенізації будь-якого об'єму рідини та для періодичної або потокової обробки. Лабораторні ультразвукові прилади можна використовувати для об'ємів від 1,5 мл до приблизно 4 л. Ультразвукові промислові пристрої можуть обробляти партії від 0,5 до приблизно 2000 л або витрату від 0,1 л до 20 кубічних метрів на годину при розробці процесу та в комерційному виробництві.
Натисніть тут, щоб прочитати більше про ультразвукове гомогенізування!
Ультразвукове диспергування та деагломерація
Диспергування та деагломерація твердих речовин у рідини є важливим застосуванням ультразвукових систем зондового типу. Ультразвукова / акустична кавітація створює високі сили зсуву, які розбивають агломерати частинок на окремі, одиночні дисперсні частинки. Змішування порошків у рідини є поширеним етапом у розробці різних продуктів, таких як фарби, лаки, косметичні продукти, продукти харчування 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. Ультразвук долає ці сили тяжіння з метою деагломерації та розсіювання частинок у рідких середовищах. Для диспергування та деагломерації порошків у рідинах ультразвук високої інтенсивності є цікавою альтернативою гомогенізаторам високого тиску, змішувачам з високим зсувом, бісерним млинам або ротору-статору-змішувачам.
Натисніть тут, щоб прочитати більше про ультразвукове диспергування та деагломерацію!
Ультразвукова емульгування
Широкий спектр проміжних і споживчих товарів, таких як косметика і лосьйони для шкіри, фармацевтичні мазі, лаки, фарби і мастила і паливо, повністю або частково засновані на емульсіях. Емульсії являють собою дисперсії двох і більше рідких фаз, що не змішуються. Високоінтенсивний ультразвук забезпечує досить інтенсивний зсув, щоб розсіяти рідку фазу (дисперсну фазу) дрібними краплями в другій фазі (безперервна фаза). У зоні дисперсії вибухають кавітаційні бульбашки викликають інтенсивні ударні хвилі в навколишній рідині і призводять до утворення струменів рідини з великою швидкістю рідини (високий зсув). Ультразвук може бути точно адаптований до цільового розміру емульсії, що дозволяє таким чином надійно виробляти мікроемульсії та наноемульсії.
Натисніть тут, щоб прочитати більше про ультразвукову емульгування!
The UIP1000hdT це потужний ультразвуковий пристрій потужністю 1000 Вт для гомогенізації, подрібнення та екстракції.
Ультразвукове мокре подрібнення та шліфування
Ультразвук є ефективним засобом для мокрого помелу та мікроподрібнення частинок. Зокрема, для виготовлення надтонких суспензій ультразвук має багато переваг. Він перевершує традиційне обладнання для зменшення розміру, таке як: колоїдні млини (наприклад, кульові млини, бісерні млини), дискові млини або струменеві млини. Ультразвук може обробляти суспензії високої концентрації та в'язкості, таким чином зменшуючи об'єм, що підлягає обробці. Звичайно, ультразвукове фрезерування підходить для обробки мікронних і нанорозмірних матеріалів, таких як кераміка, пігменти, сульфат барію, карбонат кальцію або оксиди металів. Особливо коли справа доходить до наноматеріалів, ультразвук перевершує за продуктивністю, оскільки його сильні ударні сили зсуву створюють рівномірно малі наночастинки.
Натисніть тут, щоб прочитати більше про ультразвукове мокре фрезерування та мікрошліфування!
Висушений розпиленням TiO2 до і після ультразвукового фрезерування
Ультразвукове розпад клітин і лізис
Ультразвукова обробка може розщепити волокнистий целюлозний матеріал на дрібні частинки і розірвати стінки клітинної структури. Це вивільняє в рідину більше внутрішньоклітинного матеріалу, такого як крохмаль або цукор. Цей ефект може бути використаний для бродіння, травлення та інших процесів перетворення органічної речовини. Після подрібнення та подрібнення ультразвук робить більшу частину внутрішньоклітинного матеріалу, наприклад, крохмалю, а також залишків клітинної стінки доступними для ферментів, які перетворюють крохмаль на цукри. Він також збільшує площу поверхні, що піддається впливу ферментів під час розрідження або оцукрювання. Це, як правило, збільшує швидкість і вихід дріжджового бродіння та інших процесів перетворення, наприклад, для збільшення виробництва етанолу з біомаси.
Натисніть тут, щоб прочитати більше про ультразвуковий розпад клітинних структур!
ультразвукова екстракція рослинних компонентів
Екстракція біологічно активних сполук, що зберігаються в клітинах, і субклітинних частинок є широко використовуваним застосуванням ультразвуку високої інтенсивності. Ультразвукова екстракція використовується для виділення вторинних метаболітів (наприклад, поліфенолів), полісахаридів, білків, ефірних масел та інших активних інгредієнтів з клітинного матриксу рослин і грибів. Підходить для екстракції органічних сполук водою та розчинниками, ультразвук значно покращує врожай рослинних компонентів, що містяться в рослинах або насінні. Ультразвукова екстракція використовується для виробництва фармацевтичних препаратів, нутрицевтиків / харчових добавок, ароматизаторів і біологічних добавок. Ультразвук — це метод зеленої екстракції, який також використовується для екстракції біологічно активних компонентів на біопереробних заводах, наприклад, для вивільнення цінних сполук із невикористаних потоків побічних продуктів, що утворюються в промислових процесах. Ультразвук є високоефективною технологією ботанічної екстракції в лабораторних і виробничих масштабах.
Натисніть тут для отримання додаткової інформації про ультразвукову екстракцію!
Ультразвуковий реактор потужністю 16 000 Вт для ультразвукової обробки рідини.
Сонохімічне застосування ультразвуку
Сонохімія – це застосування ультразвуку до хімічних реакцій та процесів. Механізмом, що викликає сонохімічні ефекти в рідинах, є явище акустичної кавітації. Сонохімічні ефекти на хімічні реакції та процеси включають збільшення швидкості або потужності реакції, більш ефективне використання енергії, підвищення продуктивності каталізаторів фазового переносу, активацію металів і твердих речовин або збільшення реакційної здатності реагентів або каталізаторів.
Натисніть тут, щоб прочитати більше про сонохімічні ефекти ультразвуку!
Ультразвукова переетерифікація нафти в біодизель
Ультразвук збільшує швидкість хімічної реакції і вихід переетерифікації рослинних масел і тваринних жирів в біодизельне паливо. Це дозволяє перевести виробництво з пакетної обробки на безперервну потокову і знижує інвестиційні та експлуатаційні витрати. Однією з головних переваг ультразвукового виробництва біодизеля є використання відпрацьованих масел, таких як відпрацьована кулінарна олія та інші неякісні джерела олії. Ультразвукова переетерифікація може перетворювати навіть неякісну сировину в високоякісний біодизель (метиловий ефір жирних кислот / FAME). Виробництво біодизеля з рослинних олій або тваринних жирів передбачає каталізовану основою переетерифікацію жирних кислот метанолом або етанолом для отримання відповідних метилових ефірів або етилових ефірів. Ультразвукове дослідження дозволяє досягти виходу біодизеля, що перевищує 99%. Ультразвук значно скорочує час обробки і час відділення.
Натисніть тут, щоб прочитати більше про ультразвукову переетерифікацію олії в біодизель!
Ультразвукова дегазація та деаерація рідин
Дегазація рідин є ще одним важливим застосуванням ультразвукових систем зондового типу. Ультразвукові коливання і кавітація викликають злиття розчинених газів в рідині. У міру того, як бульбашки газу зливаються, вони утворюють тим самим більші бульбашки, які швидко спливають на верхню поверхню рідини, звідти їх можна видалити. Таким чином, ультразвукова дегазація і деаерація дозволяють знизити рівень розчиненого газу нижче рівня природної рівноваги.
Натисніть тут, щоб прочитати більше про ультразвукову дегазацію рідин!
Ультразвукове очищення проводів, кабелів і стрічок
Ультразвукова чистка є екологічно чистою альтернативою для очищення безперервних матеріалів, таких як дріт і кабель, стрічка або трубки. Ефект потужної ультразвукової кавітації видаляє залишки мастила, такі як масло або жир, мило, стеарати або пил з поверхні матеріалу. Компанія Hielscher Ultrasonics пропонує різні ультразвукові системи для вбудованого очищення суцільних профілів.
Натисніть тут для отримання додаткової інформації про ультразвукове очищення безперервних профілів!
Зв'яжіться з нами! / Запитайте нас!
Що робить ультразвук найкращим методом обробки?
Ультразвук, або використання високочастотних звукових хвиль для перемішування рідин, є ефективним методом обробки з різних причин. Ось кілька причин, чому ультразвук на високій інтенсивності та низькій частоті приблизно 20 кГц є особливо ефективним і вигідним для обробки рідин і суспензій:
- Кавітації: Одним з основних механізмів ультразвукового апарату є створення і руйнування крихітних бульбашок, це явище називається кавітацією. На частоті 20 кГц звукові хвилі мають саме ту частоту, яка потрібна для ефективного створення та руйнування бульбашок. Руйнування цих бульбашок виробляє ударні хвилі високої енергії, які можуть розщепити частинки та порушити клітини в рідині, що ультразвукується.
- Коливання і вібрація: Крім генерованої акустичної кавітації, коливання ультразвукового зонда створює додаткове перемішування та перемішування в рідині, тим самим сприяючи масообміну та/або дегазації.
- Проникнення: Звукові хвилі на частоті 20 кГц мають відносно велику довжину хвилі, що дозволяє їм глибоко проникати в рідини. Ультразвукова кавітація – це локалізоване явище, що з'являється в оточенні ультразвукового зонда. Зі збільшенням відстані до зонда інтенсивність кавітації зменшується. Однак ультразвук на частоті 20 кГц може ефективно обробляти більші об'єми рідини в порівнянні з більш високочастотним ультразвуком, який має коротші довжини хвиль і може бути більш обмеженим у глибині проникнення.
- Низьке енергоспоживання: Ультразвук може бути виконаний з відносно низьким споживанням енергії в порівнянні з іншими методами обробки, такими як гомогенізація під високим тиском або механічне перемішування. Це робить його більш енергоефективним та економічно вигідним методом обробки рідин.
- Лінійна масштабованість: Ультразвукові процеси можуть масштабуватися абсолютно лінійно до більших або менших обсягів. Це робить адаптацію процесів на виробництві надійною, оскільки якість продукції може підтримуватися постійно стабільною.
- Пакетний і вбудований потік: Ультразвук може виконуватися у вигляді періодичного або безперервного потокового процесу. Для проведення ультразвукового дослідження партій ультразвуковий зонд вводиться у відкриту посудину або реактор закритої періодичної дії. Для проведення ультразвукового випромінювання безперервного потоку встановлена ультразвукова проточна камера. Рідке середовище проходить сонотрод (ультразвуково вібраційний стрижень) за один прохід або рециркуляцію і є дуже однорідним і ефективним при впливі ультразвукових хвиль.
Загалом, інтенсивні сили кавітації, низьке споживання енергії та масштабованість процесу роблять низькочастотну ультразвукову діагностику високої потужності ефективним методом обробки рідин.
Принцип роботи та застосування ультразвукової обробки
Ультразвук — це комерційна технологія обробки, яка була прийнята багатьма галузями промисловості для великомасштабного виробництва. Висока надійність і масштабованість, а також низькі витрати на обслуговування і висока енергоефективність роблять ультразвукові процесори хорошою альтернативою традиційному обладнанню для обробки рідин. Ультразвук відкриває додаткові захоплюючі можливості: кавітація – основний ультразвуковий ефект – дає унікальні результати в біологічних, хімічних і фізичних процесах. Наприклад, за допомогою ультразвукової диспергації та емульгування легко утворюються стабільні нанорозмірні склади. Також у галузі ботанічної екстракції ультразвук є нетермічним методом для виділення біологічно активних сполук.
У той час як ультразвук низької інтенсивності або високої частоти в основному використовується для аналізу, неруйнівного контролю та візуалізації, ультразвук високої інтенсивності використовується для обробки рідин і паст, де інтенсивні ультразвукові хвилі використовуються для змішування, емульгування, диспергування та деагломерації, розпаду клітин або деактивації ферментів. При ультразвуковому утворенні рідин з високою інтенсивністю звукові хвилі поширюються по рідких середовищах. Це призводить до чергування циклів високого тиску (стиснення) і низького тиску (розрідження), швидкості яких залежать від частоти. Під час циклу низького тиску ультразвукові хвилі високої інтенсивності створюють невеликі вакуумні бульбашки або порожнечі в рідині. Коли бульбашки досягають об'єму, при якому вони більше не можуть поглинати енергію, вони сильно руйнуються під час циклу високого тиску. Це явище називається кавітацією. Під час імплозії локально досягаються дуже високі температури (приблизно 5 000 К) і тиск (приблизно 2 000 атм). Вибух кавітаційного міхура також призводить до утворення струменів рідини зі швидкістю до 280 метрів на секунду.
Ультразвукова кавітація в рідинах може викликати швидку і повну дегазацію; ініціювати різні хімічні реакції шляхом утворення вільних хімічних іонів (радикалів); прискорювати хімічні реакції за рахунок полегшення перемішування реагентів; посилюють реакції полімеризації і деполімеризації шляхом диспергування агрегатів або шляхом постійного розриву хімічних зв'язків в полімерних ланцюгах; збільшити показники емульгування; покращують швидкість дифузії; виробляти висококонцентровані емульсії або однорідні дисперсії мікронних або нанорозмірних матеріалів; сприяти екстракції таких речовин, як ферменти з клітин тварин, рослин, дріжджів або бактерій; виводити віруси з інфікованих тканин; і, нарешті, роз'їдати і розщеплювати сприйнятливі частинки, в тому числі мікроорганізми. (пор. Kuldiloke 2002)
Ультразвук високої інтенсивності викликає бурхливе збудження в рідинах з низькою в'язкістю, яке може бути використано для диспергування матеріалів у рідинах. (пор. Енсмінгер, 1988) На межі розділу рідина/тверде тіло або газ/тверде тіло асиметрична імплозія кавітаційних бульбашок може спричинити екстремальні турбулентності, які зменшують граничний шар дифузії, збільшують конвекційний масообмін і значно прискорюють дифузію в системах, де звичайне перемішування неможливе. (пор. Ниборг, 1965)
Потужна ультразвукова кавітація в Hielscher Cascatrode
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).
Ультразвуковий реактор з 4 зондами потужністю 2000 Вт (8 кВт) для сонохімічних процесів.
Hielscher Ultrasonics виробляє високоефективні ультразвукові гомогенізатори з Лабораторії до промислові розміри.