Xử lý bằng siêu âm cho chất lỏng, huyền phù và phản ứng hóa học

Xử lý bằng siêu âm là một phương pháp xử lý cơ học tạo ra hiện tượng xâm thực âm học và các lực vật lý có cường độ rất cao. Vì vậy, siêu âm được sử dụng cho nhiều ứng dụng như trộn, đồng nhất hóa, nghiền, phân tán, nhũ hóa, chiết xuất, khử khí và các phản ứng hóa siêu âm.

Tìm ứng dụng của bạn trong bảng bên dưới, nhấp vào liên kết và chuyển trực tiếp đến quy trình bạn quan tâm! Tìm hiểu cách xử lý bằng siêu âm cải thiện quy trình và hiệu quả của quy trình.

Đồng nhất hóa bằng siêu âm

Thiết bị đồng nhất hóa bằng siêu âm làm giảm kích thước các hạt nhỏ trong chất lỏng để cải thiện độ đồng nhất và độ ổn định phân tán. Các hạt (pha phân tán) có thể là chất rắn hoặc các giọt chất lỏng lơ lửng trong một pha lỏng. Đồng nhất hóa bằng siêu âm rất hiệu quả trong việc giảm kích thước cả hạt mềm và hạt cứng. Hielscher sản xuất các thiết bị siêu âm để đồng nhất hóa chất lỏng ở mọi thể tích và để xử lý theo mẻ hoặc trực tiếp trên dây chuyền. Các thiết bị siêu âm phòng thí nghiệm có thể được sử dụng cho thể tích từ 1,5mL đến khoảng 4L. Các thiết bị siêu âm công nghiệp có thể xử lý các mẻ từ 0,5 đến khoảng 2000L hoặc lưu lượng từ 0,1L đến 20 mét khối mỗi giờ trong phát triển quy trình và sản xuất thương mại.
Khám phá sức mạnh của đồng nhất hóa bằng siêu âm!

Phân tán và phá kết tụ bằng siêu âm

Phân tán và phá kết tụ chất rắn trong chất lỏng là một ứng dụng quan trọng của thiết bị siêu âm dạng đầu dò. Hiện tượng xâm thực siêu âm / âm học tạo ra lực cắt lớn, phá vỡ các khối hạt kết tụ thành các hạt riêng lẻ phân tán độc lập. Trộn bột vào chất lỏng là một bước phổ biến trong quá trình phối chế nhiều sản phẩm như sơn, véc ni, mỹ phẩm, thực phẩm và đồ uống hoặc vật liệu đánh bóng. Các hạt riêng lẻ được giữ với nhau bởi các lực hút có bản chất vật lý và hóa học khác nhau, bao gồm lực van der Waals và sức căng bề mặt chất lỏng. Xử lý bằng siêu âm khắc phục các lực hút này để phá kết tụ và phân tán các hạt trong môi trường lỏng. Để phân tán và phá kết tụ bột trong chất lỏng, xử lý bằng siêu âm cường độ cao là một phương án thay thế đáng quan tâm cho thiết bị đồng nhất hóa áp suất cao, máy trộn lực cắt cao, máy nghiền bi hoặc máy trộn rôto–stato.
Tìm hiểu thông tin chuyên sâu về phân tán và phá kết tụ bằng siêu âm!

Nhũ hóa bằng siêu âm

Nhiều loại sản phẩm trung gian và sản phẩm tiêu dùng, chẳng hạn như mỹ phẩm và sữa dưỡng da, thuốc mỡ, vecni, sơn, chất bôi trơn và nhiên liệu, được tạo thành hoàn toàn hoặc một phần từ nhũ tương. Nhũ tương là hệ phân tán của hai hoặc nhiều pha lỏng không hòa tan lẫn nhau. Siêu âm cường độ rất cao tạo ra lực cắt đủ mạnh để phân tán một pha lỏng (pha phân tán) thành các giọt nhỏ trong pha thứ hai (pha liên tục). Trong vùng phân tán, các bọt xâm thực sụp đổ tạo ra sóng xung kích mạnh trong chất lỏng xung quanh và dẫn đến sự hình thành các tia chất lỏng có vận tốc cao (lực cắt lớn). Quá trình xử lý bằng siêu âm có thể được điều chỉnh chính xác theo kích thước nhũ tương mục tiêu, qua đó cho phép sản xuất vi nhũ tương và nhũ tương nano một cách đáng tin cậy.
Nhấp vào đây để đọc thêm về nhũ hóa bằng siêu âm!

Nghiền ướt và nghiền nhỏ bằng siêu âm

Xử lý bằng siêu âm là một phương pháp hiệu quả để nghiền ướt và nghiền các hạt đến kích thước micromet. Đặc biệt trong sản xuất huyền phù có kích thước hạt siêu mịn, siêu âm có nhiều ưu điểm. Phương pháp này vượt trội so với các thiết bị giảm kích thước truyền thống, chẳng hạn như: máy nghiền keo (ví dụ: máy nghiền bi, máy nghiền hạt), máy nghiền đĩa hoặc máy nghiền tia. Siêu âm có thể xử lý các huyền phù có nồng độ cao và độ nhớt cao – nhờ đó giảm thể tích cần xử lý. Tất nhiên, nghiền bằng siêu âm phù hợp để xử lý các vật liệu có kích thước micromet và nanomet, chẳng hạn như gốm, chất màu, bari sulfat, canxi cacbonat hoặc oxit kim loại. Đặc biệt đối với vật liệu nano, siêu âm có hiệu suất vượt trội vì lực cắt tác động rất mạnh của nó tạo ra các hạt nano nhỏ đồng đều.
Đọc thêm về nghiền ướt và nghiền đến kích thước micromet bằng siêu âm!

TiO2 sấy phun trước và sau khi nghiền bằng siêu âm

Phá vỡ và ly giải tế bào bằng siêu âm

Xử lý bằng siêu âm có thể phá vỡ vật liệu dạng sợi chứa xenluloza thành các hạt mịn và phá vỡ thành tế bào. Điều này giải phóng nhiều vật chất nội bào hơn, chẳng hạn như tinh bột hoặc đường, vào chất lỏng. Hiệu ứng này có thể được sử dụng trong quá trình lên men, phân hủy và các quá trình chuyển hóa chất hữu cơ khác. Sau khi nghiền, xử lý bằng siêu âm giúp các enzym chuyển hóa tinh bột thành đường tiếp cận được nhiều vật chất nội bào hơn, ví dụ như tinh bột, cũng như các mảnh vỡ thành tế bào. Phương pháp này cũng làm tăng diện tích bề mặt tiếp xúc với enzym trong quá trình dịch hóa hoặc đường hóa. Điều này thường làm tăng tốc độ và hiệu suất lên men bằng nấm men cũng như các quá trình chuyển hóa khác, ví dụ như để tăng sản lượng etanol từ sinh khối.
Đọc thêm về phá vỡ cấu trúc tế bào bằng siêu âm!

Chiết xuất các hợp chất từ thực vật bằng siêu âm

Chiết xuất các hợp chất có hoạt tính sinh học được lưu trữ trong tế bào và các hạt dưới tế bào là một ứng dụng được sử dụng rộng rãi của siêu âm cường độ cao. Chiết xuất bằng siêu âm được sử dụng để phân lập các chất chuyển hóa thứ cấp (ví dụ: polyphenol), polysaccharid, protein, tinh dầu và các hoạt chất khác từ nền cấu trúc tế bào của thực vật và nấm. Phù hợp cho việc chiết xuất các hợp chất hữu cơ bằng nước và dung môi, xử lý bằng siêu âm cải thiện đáng kể hiệu suất thu hồi các hợp chất thực vật có trong cây hoặc hạt. Chiết xuất bằng siêu âm được sử dụng để sản xuất dược phẩm, thực phẩm chức năng / sản phẩm bổ sung dinh dưỡng, hương liệu và phụ gia sinh học. Siêu âm là một kỹ thuật chiết xuất xanh, cũng được sử dụng để chiết xuất các thành phần có hoạt tính sinh học trong các nhà máy lọc sinh học, ví dụ như giải phóng các hợp chất có giá trị từ các dòng phụ phẩm chưa được tận dụng phát sinh trong các quy trình công nghiệp. Xử lý bằng siêu âm là một công nghệ có hiệu quả cao để chiết xuất các hợp chất từ thực vật ở quy mô phòng thí nghiệm và sản xuất.
Khám phá những ưu điểm của chiết xuất bằng siêu âm!

Ứng dụng siêu âm trong hóa học siêu âm

Hóa siêu âm là việc ứng dụng siêu âm vào các phản ứng và quá trình hóa học. Cơ chế gây ra các hiệu ứng hóa siêu âm trong chất lỏng là hiện tượng xâm thực âm. Các hiệu ứng hóa siêu âm đối với phản ứng và quá trình hóa học bao gồm tăng tốc độ phản ứng hoặc sản lượng, sử dụng năng lượng hiệu quả hơn, cải thiện hiệu năng của chất xúc tác chuyển pha, hoạt hóa kim loại và chất rắn hoặc tăng khả năng phản ứng của thuốc thử hoặc chất xúc tác.
Khám phá các hiệu ứng hóa siêu âm của sóng siêu âm!

Chuyển hóa dầu (thải) thành diesel sinh học bằng phản ứng trao đổi este sử dụng siêu âm

Xử lý siêu âm làm tăng tốc độ phản ứng hóa học và hiệu suất của phản ứng trao đổi este chuyển hóa dầu thực vật và mỡ động vật thành diesel sinh học. Điều này cho phép chuyển hoạt động sản xuất từ xử lý theo mẻ sang xử lý dòng chảy liên tục, đồng thời giảm chi phí đầu tư và vận hành. Một trong những ưu điểm chính của sản xuất diesel sinh học bằng siêu âm là sử dụng dầu thải như dầu ăn đã qua sử dụng và các nguồn dầu chất lượng kém khác. Phản ứng trao đổi este sử dụng siêu âm có thể chuyển hóa ngay cả nguyên liệu chất lượng thấp thành diesel sinh học chất lượng cao (metyl este của axit béo / FAME). Quá trình sản xuất diesel sinh học từ dầu thực vật hoặc mỡ động vật bao gồm phản ứng trao đổi este của axit béo với metanol hoặc etanol, được xúc tác bằng bazơ, để tạo ra các metyl este hoặc etyl este tương ứng. Xử lý siêu âm có thể đạt hiệu suất tạo diesel sinh học trên 99%. Siêu âm làm giảm đáng kể thời gian xử lý và thời gian phân tách.
Nhấp vào đây để đọc thêm về phản ứng trao đổi este chuyển hóa dầu thành diesel sinh học có hỗ trợ siêu âm!

Khử khí, loại bỏ không khí và phá bọt trong chất lỏng bằng siêu âm

Khử khí trong chất lỏng là một ứng dụng quan trọng khác của thiết bị siêu âm dạng đầu dò. Dao động siêu âm và hiện tượng xâm thực làm các khí hòa tan trong chất lỏng hợp lại. Khi các bọt khí cực nhỏ hợp lại, chúng tạo thành các bọt lớn hơn, nhanh chóng nổi lên bề mặt chất lỏng và có thể được loại bỏ từ đó. Do vậy, khử khí và loại bỏ không khí bằng siêu âm có thể làm giảm hàm lượng khí hòa tan xuống dưới mức cân bằng tự nhiên.
Nhấp vào đây để đọc thêm về khử khí trong chất lỏng bằng siêu âm!

Làm sạch dây, cáp và băng dải bằng siêu âm

Làm sạch bằng siêu âm là một phương pháp thay thế thân thiện với môi trường để làm sạch các vật liệu dạng liên tục như dây và cáp, băng hoặc ống. Tác động xâm thực siêu âm mạnh mẽ loại bỏ các chất bôi trơn còn sót lại như dầu hoặc mỡ bôi trơn, xà phòng, muối stearat hoặc bụi khỏi bề mặt vật liệu. Hielscher Ultrasonics cung cấp nhiều hệ thống siêu âm để làm sạch trực tiếp trên dây chuyền các thanh định hình liên tục.
Nhấp vào đây để biết thêm thông tin về làm sạch các thanh định hình liên tục bằng siêu âm!

Điều gì khiến xử lý siêu âm trở thành phương pháp xử lý vượt trội?

Xử lý siêu âm, tức sử dụng sóng âm tần số cao để khuấy động chất lỏng, là một phương pháp xử lý hiệu quả vì nhiều lý do. Dưới đây là một số lý do vì sao xử lý siêu âm ở cường độ cao và tần số thấp khoảng 20kHz đặc biệt có tác động mạnh và mang lại lợi ích cho việc xử lý chất lỏng và huyền phù:

1. Xâm thực: Một trong những cơ chế chính của xử lý siêu âm là sự hình thành và sụp đổ của các bọt cực nhỏ, một hiện tượng được gọi là xâm thực. Ở 20kHz, sóng âm có tần số vừa thích hợp để tạo ra và làm sụp đổ các bọt một cách hiệu quả. Sự sụp đổ của các bọt này tạo ra sóng xung kích năng lượng cao, có thể phá vỡ các hạt và tế bào trong chất lỏng đang được xử lý siêu âm.
2. Dao động và rung động: Bên cạnh hiện tượng xâm thực âm được tạo ra, dao động của đầu dò siêu âm còn làm tăng sự khuấy động và trộn trong chất lỏng, qua đó thúc đẩy truyền khối và/hoặc khử khí.
3. Khả năng xuyên sâu: Sóng âm ở 20kHz có bước sóng tương đối dài, cho phép chúng xuyên sâu vào chất lỏng. Xâm thực siêu âm là một hiện tượng cục bộ xuất hiện ở vùng xung quanh đầu dò siêu âm. Khi khoảng cách đến đầu dò tăng lên, cường độ xâm thực giảm xuống. Tuy nhiên, xử lý siêu âm ở 20kHz có thể xử lý hiệu quả các thể tích chất lỏng lớn hơn so với xử lý siêu âm ở tần số cao hơn, vốn có bước sóng ngắn hơn và có thể bị hạn chế hơn về độ sâu xuyên thấu.
4. Mức tiêu thụ năng lượng thấp: Xử lý siêu âm có thể được thực hiện với mức tiêu thụ năng lượng tương đối thấp so với các phương pháp xử lý khác như đồng nhất hóa áp suất cao hoặc khuấy cơ học. Điều này khiến xử lý siêu âm trở thành một phương pháp xử lý chất lỏng có hiệu quả sử dụng năng lượng và hiệu quả chi phí cao hơn.
5. Khả năng thay đổi quy mô tuyến tính: Các quy trình siêu âm có thể được tăng hoặc giảm quy mô theo quan hệ hoàn toàn tuyến tính để xử lý các thể tích lớn hơn hoặc nhỏ hơn. Điều này giúp việc điều chỉnh quy trình trong sản xuất trở nên đáng tin cậy vì chất lượng sản phẩm có thể được duy trì ổn định liên tục.
6. Xử lý theo mẻ và xử lý dòng chảy trực tiếp trên dây chuyền: Xử lý siêu âm có thể được thực hiện theo mẻ hoặc dưới dạng các quy trình liên tục trực tiếp trên dây chuyền. Để xử lý siêu âm theo mẻ, đầu dò siêu âm được đưa vào bình hở hoặc thiết bị phản ứng theo mẻ kín. Để xử lý siêu âm một dòng chảy liên tục, một buồng dòng chảy siêu âm được lắp đặt. Môi trường lỏng đi qua đầu phát siêu âm (thanh rung siêu âm) một lần hoặc theo vòng tuần hoàn và tiếp xúc với sóng siêu âm một cách rất đồng đều và hiệu quả.

Nhìn chung, các lực mạnh do xâm thực tạo ra, mức tiêu thụ năng lượng thấp và khả năng thay đổi quy mô quy trình khiến xử lý siêu âm tần số thấp, công suất cao trở thành một phương pháp hiệu quả để xử lý chất lỏng.

Nguyên lý hoạt động và ứng dụng của xử lý siêu âm

Xử lý siêu âm là một công nghệ xử lý thương mại đã được nhiều ngành công nghiệp áp dụng cho sản xuất quy mô lớn. Độ tin cậy cao và khả năng thay đổi quy mô, cùng với chi phí bảo trì thấp và hiệu quả sử dụng năng lượng cao, khiến các thiết bị xử lý siêu âm trở thành một lựa chọn thay thế tốt cho thiết bị xử lý chất lỏng truyền thống. Siêu âm mang lại thêm những cơ hội đầy hứa hẹn: Xâm thực – hiệu ứng cơ bản của siêu âm – tạo ra những kết quả độc đáo trong các quá trình sinh học, hóa học và vật lý. Ví dụ, phân tán và nhũ hóa bằng siêu âm dễ dàng tạo ra các hệ công thức ổn định có kích thước nano. Trong lĩnh vực chiết xuất thực vật, siêu âm cũng là một kỹ thuật không dùng nhiệt để phân lập các hợp chất có hoạt tính sinh học.

Trộn bằng siêu âm dựa trên hiện tượng xâm thực âm học và các lực cắt thủy động lực học do hiện tượng này tạo ra.

Trong khi siêu âm cường độ thấp hoặc tần số cao chủ yếu được sử dụng để phân tích, kiểm tra không phá hủy và tạo ảnh, siêu âm cường độ cao được sử dụng để xử lý chất lỏng và chất dạng nhão, trong đó sóng siêu âm mạnh được dùng để trộn, nhũ hóa, phân tán và phá kết tụ, phá vỡ tế bào hoặc bất hoạt enzyme. Khi xử lý chất lỏng bằng siêu âm cường độ cao, sóng âm lan truyền qua môi trường chất lỏng. Điều này tạo ra các chu kỳ áp suất cao (nén) và áp suất thấp (giãn) luân phiên, với tốc độ lặp lại phụ thuộc vào tần số. Trong chu kỳ áp suất thấp, sóng siêu âm cường độ cao tạo ra các bọt chân không nhỏ hoặc các khoang rỗng trong chất lỏng. Khi các bọt đạt đến thể tích mà tại đó chúng không còn có thể hấp thụ năng lượng, chúng sụp đổ dữ dội trong một chu kỳ áp suất cao. Hiện tượng này được gọi là xâm thực. Trong quá trình sụp đổ, nhiệt độ rất cao (khoảng 5.000K) và áp suất rất cao (khoảng 2.000atm) xuất hiện cục bộ. Sự sụp đổ của bọt xâm thực cũng tạo ra các tia chất lỏng có vận tốc lên đến 280 mét mỗi giây.

Hiện tượng xâm thực siêu âm trong chất lỏng có thể khử khí nhanh chóng và hoàn toàn; khởi phát nhiều phản ứng hóa học bằng cách tạo ra các ion hóa học tự do (gốc tự do); tăng tốc các phản ứng hóa học bằng cách tạo điều kiện thuận lợi cho việc trộn các chất phản ứng; tăng cường các phản ứng trùng hợp và phân hủy polymer bằng cách phân tán các khối kết tụ hoặc phá vỡ vĩnh viễn các liên kết hóa học trong chuỗi polymer; tăng tốc độ nhũ hóa; cải thiện tốc độ khuếch tán; tạo ra các nhũ tương có nồng độ cao hoặc hệ phân tán đồng đều của vật liệu có kích thước micromét hoặc nanomét; hỗ trợ chiết xuất các chất như enzyme từ tế bào động vật, thực vật, nấm men hoặc vi khuẩn; loại bỏ virus khỏi mô bị nhiễm; và cuối cùng, làm xói mòn và phá vỡ các hạt dễ bị tác động, bao gồm cả vi sinh vật. (cf. Kuldiloke 2002)

Siêu âm cường độ cao tạo ra sự khuấy động dữ dội trong chất lỏng có độ nhớt thấp, có thể được sử dụng để phân tán vật liệu trong chất lỏng. (cf. Ensminger, 1988) Tại các bề mặt phân cách lỏng/rắn hoặc khí/rắn, sự sụp đổ bất đối xứng của các bọt xâm thực có thể tạo ra dòng chảy rối cực mạnh, làm mỏng lớp biên khuếch tán, tăng cường truyền khối đối lưu và tăng tốc đáng kể quá trình khuếch tán trong các hệ mà việc trộn thông thường không thể thực hiện được. (cf. Nyborg, 1965)

Tài liệu tham khảo

• 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).