Siêu âm: Ứng dụng và quy trình
Siêu âm là một phương pháp xử lý cơ học tạo ra sự xâm thực âm thanh và các lực vật lý rất mạnh. Do đó, siêu âm được sử dụng cho nhiều ứng dụng như trộn, đồng nhất, phay, phân tán, nhũ hóa, chiết xuất, khử khí và phản ứng sono-chemistry.
Dưới đây, bạn sẽ tìm hiểu tất cả về các ứng dụng và quy trình siêu âm điển hình.
siêu âm đồng nhất
Máy đồng nhất siêu âm làm giảm các hạt nhỏ trong chất lỏng để cải thiện độ đồng đều và độ ổn định phân tán. Các hạt (pha phân tán) có thể là chất rắn hoặc giọt chất lỏng lơ lửng trong pha lỏng. Đồng nhất siêu âm rất hiệu quả để giảm các hạt mềm và cứng. Hielscher sản xuất máy siêu âm để đồng nhất bất kỳ thể tích chất lỏng nào và để xử lý hàng loạt hoặc nội tuyến. Các thiết bị siêu âm trong phòng thí nghiệm có thể được sử dụng cho thể tích từ 1,5mL đến xấp xỉ 4L. Các thiết bị công nghiệp siêu âm có thể xử lý các lô từ 0,5 đến xấp xỉ 2000L hoặc tốc độ dòng chảy từ 0,1L đến 20 mét khối mỗi giờ trong quá trình phát triển quy trình và trong sản xuất thương mại.
Bấm vào đây để đọc thêm về đồng nhất siêu âm!
Siêu âm phân tán và deagglomeration
Sự phân tán và khử kết tụ chất rắn thành chất lỏng là một ứng dụng quan trọng của máy siêu âm kiểu đầu dò. Siêu âm / xâm thực âm thanh tạo ra lực cắt cao phá vỡ các khối hạt thành các hạt phân tán riêng lẻ. Việc trộn bột thành chất lỏng là một bước phổ biến trong quá trình pha chế các sản phẩm khác nhau, chẳng hạn như sơn, vecni, mỹ phẩm, thực phẩm và đồ uống hoặc phương tiện đánh bóng. Các hạt riêng lẻ được giữ lại với nhau bởi các lực hút có tính chất vật lý và hóa học khác nhau, bao gồm lực van-der-Waals và sức căng bề mặt chất lỏng. Siêu âm khắc phục các lực hút này để giải tụ và phân tán các hạt trong môi trường lỏng. Để phân tán và giải tụ bột trong chất lỏng, siêu âm cường độ cao là một giải pháp thay thế thú vị cho máy đồng nhất áp suất cao, máy trộn cắt cao, máy nghiền hạt hoặc máy trộn rôto-stato.
Bấm vào đây để đọc thêm về phân tán siêu âm và khử kết tụ!
Nhũ tương siêu âm
Một loạt các sản phẩm trung gian và tiêu dùng, chẳng hạn như mỹ phẩm và kem dưỡng da, thuốc mỡ dược phẩm, vecni, sơn và chất bôi trơn và nhiên liệu hoàn toàn hoặc một phần dựa trên nhũ tương. Nhũ tương là sự phân tán của hai hoặc nhiều pha lỏng không trộn lẫn. Siêu âm cường độ cao cung cấp đủ lực cắt cường độ cao để phân tán pha lỏng (pha phân tán) thành các giọt nhỏ trong giai đoạn thứ hai (pha liên tục). Trong vùng phân tán, bong bóng xâm thực nổ gây ra sóng xung kích mạnh trong chất lỏng xung quanh và dẫn đến sự hình thành các tia chất lỏng có vận tốc chất lỏng cao (lực cắt cao). Siêu âm có thể được điều chỉnh chính xác với kích thước nhũ tương mục tiêu cho phép sản xuất nhũ tương siêu nhỏ và nhũ tương nano một cách đáng tin cậy.
Bấm vào đây để đọc thêm về nhũ tương siêu âm!

The UIP1000hdT là máy siêu âm mạnh mẽ 1000 watt cho các ứng dụng đồng nhất, xay xát và chiết xuất.
Phay ướt và mài siêu âm
Siêu âm là một phương tiện hiệu quả để nghiền ướt và nghiền vi mô các hạt. Đặc biệt đối với việc sản xuất bùn kích thước siêu mịn, siêu âm có nhiều ưu điểm. Nó vượt trội hơn so với 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 phản lực. Siêu âm có thể xử lý bùn nồng độ cao và độ nhớt cao - do đó làm giảm khối lượng cần xử lý. Tất nhiên, phay siêu âm thích hợp để xử lý các vật liệu kích thước micron và nano, chẳng hạn như gốm sứ, bột màu, bari sunfat, canxi cacbonat hoặc oxit kim loại. Đặc biệt là khi nói đến vật liệu nano, siêu âm vượt trội về hiệu suất vì lực cắt có tác động cao của nó tạo ra các hạt nano nhỏ đồng nhất.
Bấm vào đây để đọc thêm về phay ướt siêu âm và mài vi mô!
Phân rã tế bào siêu âm và ly giải
Xử lý siêu âm có thể phân hủy vật liệu dạng sợi, xenlulo thành các hạt mịn và phá vỡ các bức tường của cấu trúc tế bào. Điều này giải phóng nhiều vật liệu nội bào hơn, chẳng hạn như tinh bột hoặc đường vào chất lỏng. Hiệu ứng này có thể được sử dụng để lên men, tiêu hóa và các quá trình chuyển đổi chất hữu cơ khác. Sau khi xay và nghiền, siêu âm tạo ra nhiều vật liệu nội bào hơn, ví dụ như tinh bột cũng như các mảnh vụn thành tế bào có sẵn cho các enzym chuyển đổi tinh bột thành đường. Nó cũng làm tăng diện tích bề mặt tiếp xúc với các enzym trong quá trình hóa lỏng hoặc đường hóa. Điều này thường làm tăng tốc độ và năng suất của quá trình lên men nấm men và các quá trình chuyển đổi khác, ví dụ như để tăng sản xuất ethanol từ sinh khối.
Bấm vào đây để đọc thêm về sự phân rã siêu âm của cấu trúc tế bào!
Khai thác siêu âm thực vật
Việc chiết xuất các hợp chất 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 siêu âm được sử dụng để phân lập các chất chuyển hóa thứ cấp (ví dụ: polyphenol), polysaccharide, protein, tinh dầu và các thành phần hoạt tính khác từ ma trận tế bào của thực vật và nấm. Thích hợp để chiết xuất các hợp chất hữu cơ bằng nước và dung môi, siêu âm cải thiện đáng kể năng suất của các loại thực vật có trong thực vật hoặc hạt. Chiết xuất siêu âm được sử dụng để sản xuất dược phẩm, dược phẩm dinh dưỡng / chất bổ sung dinh dưỡng, nước hoa và phụ gia sinh học. Siêu âm là một kỹ thuật chiết xuất xanh cũng được sử dụng để chiết xuất các thành phần 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 sản phẩm phụ không được sử dụng được hình thành trong các quy trình công nghiệp. Siêu âm là một công nghệ hiệu quả cao để chiết xuất thực vật ở quy mô phòng thí nghiệm và sản xuất.
Bấm vào đây để biết thêm thông tin về chiết xuất siêu âm!
Ứng dụng siêu âm của siêu âm
Sonochemistry là ứng dụng của siêu âm vào các phản ứng và quá trình hóa học. Cơ chế gây ra hiệu ứng siêu âm trong chất lỏng là hiện tượng xâm thực âm thanh. Các tác động siêu âm đối với các 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 suất của chất xúc tác chuyển pha, kích hoạt kim loại và chất rắn hoặc tăng phản ứng của thuốc thử hoặc chất xúc tác.
Bấm vào đây để đọc thêm về các hiệu ứng sonochemical của siêu âm!
Transesterification siêu âm của dầu để diesel sinh học
Ultrasonication làm tăng tốc độ phản ứng hóa học và năng suất của transesterification dầu thực vật và mỡ động vật thành dầu diesel sinh học. Điều này cho phép thay đổi sản xuất từ xử lý hàng loạt sang xử lý dòng chảy liên tục và nó làm giảm chi phí đầu tư và vận hành. Một trong những lợi thế chính của sản xuất diesel sinh học siêu âm là việc sử dụng các loại dầu thải như dầu ăn đã qua sử dụng và các nguồn dầu kém chất lượng khác. Transesterification siêu âm có thể chuyển đổi ngay cả nguyên liệu chất lượng thấp thành dầu diesel sinh học chất lượng cao (axit béo methyl ester / FAME). Việc sản xuất dầu diesel sinh học từ dầu thực vật hoặc mỡ động vật, liên quan đến quá trình transester hóa xúc tác bazơ của axit béo với metanol hoặc ethanol để tạo ra các este methyl hoặc este ethyl tương ứng. Ultrasonication có thể đạt được năng suất diesel sinh học vượt quá 99%. Siêu âm làm giảm thời gian xử lý và thời gian tách đáng kể.
Bấm vào đây để đọc thêm về quá trình chuyển este hóa dầu thành dầu diesel sinh học được hỗ trợ bằng sóng siêu âm!
Khử khí siêu âm và khử khí chất lỏng
Khử khí chất lỏng là một ứng dụng quan trọng khác của máy siêu âm kiểu đầu dò. Rung động siêu âm và xâm thực gây ra sự kết hợp của các khí hòa tan trong chất lỏng. Khi các bong bóng khí nhỏ kết hợp lại, chúng tạo thành các bong bóng lớn hơn, nổi nhanh chóng lên bề mặt trên cùng của chất lỏng, từ đó chúng có thể được loại bỏ. Do đó, khử khí và khử khí siêu âm có thể làm giảm mức khí hòa tan dưới mức cân bằng tự nhiên.
Bấm vào đây để đọc thêm về khử khí siêu âm chất lỏng!
Làm sạch dây, cáp và dải siêu âm
Làm sạch bằng sóng siêu âm là một giải pháp thay thế thân thiện với môi trường để làm sạch các vật liệu liên tục, chẳng hạn như dây và cáp, băng hoặc ống. Tác dụng của quá trình xâm thực siêu âm mạnh mẽ loại bỏ cặn bôi trơn như dầu hoặc mỡ, xà phòng, stearat hoặc bụi trên bề mặt vật liệu. Hielscher Ultrasonics cung cấp các hệ thống siêu âm khác nhau để làm sạch nội tuyến các cấu hình liên tục.
Bấm vào đây để biết thêm thông tin về làm sạch bằng sóng siêu âm của các cấu hình liên tục!
Liên hệ với chúng tôi! / Hãy hỏi chúng tôi!
Điều gì làm cho Sonication trở thành một phương pháp xử lý cao cấp?
Sonication, hoặc sử dụng sóng âm thanh tần số cao để khuấy chất lỏng, là một phương pháp xử lý hiệu quả vì nhiều lý do. Dưới đây là một số lý do tại sao quá trình siêu âm ở cường độ cao và tần số thấp xấp xỉ 20kHz đặc biệt có tác động và có lợi cho việc xử lý chất lỏng và bùn:
- Cavitation: Một trong những cơ chế chính của siêu âm là tạo ra và sụp đổ các bong bóng nhỏ, một hiện tượng được gọi là xâm thực. Ở 20kHz, sóng âm thanh ở tần số phù hợp để tạo và thu gọn bong bóng một cách hiệu quả. Sự sụp đổ của các bong bóng này tạo ra sóng xung kích năng lượng cao, có thể phá vỡ các hạt và phá vỡ các tế bào trong chất lỏng được siêu âm.
- Dao động và rung: Bên cạnh sự xâm thực âm thanh được tạo ra, dao động của đầu dò siêu âm tạo ra sự khuấy động và trộn lẫn bổ sung trong chất lỏng, do đó thúc đẩy truyền khối lượng và / hoặc khử khí.
- Thâm nhập: Sóng âm thanh ở 20kHz có bước sóng tương đối dài, cho phép chúng thâm nhập sâu vào chất lỏng. Siêu âm xâm thực là một hiện tượng khu trú xuất hiện xung quanh đầu dò siêu âm. Với khoảng cách ngày càng tăng đến đầu dò, cường độ xâm thực đang giảm. Tuy nhiên, siêu âm ở 20kHz có thể xử lý hiệu quả khối lượng chất lỏng lớn hơn, so với siêu âm tần số cao hơn có bước sóng ngắn hơn và có thể bị hạn chế hơn về độ sâu thâm nhập của nó.
- Tiêu thụ năng lượng thấp: Quá trình 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 áp suất cao hoặc khuấy cơ học. Điều này làm cho nó trở thành một phương pháp tiết kiệm năng lượng và tiết kiệm chi phí hơn để xử lý chất lỏng.
- Khả năng mở rộng tuyến tính: Các quy trình siêu âm có thể được mở rộng hoàn toàn tuyến tính thành khối lượng lớn hơn hoặc nhỏ hơn. Điều này làm cho các quy trình thích ứng trong sản xuất đáng tin cậy vì chất lượng sản phẩm có thể được duy trì ổn định liên tục.
- Quy trình hàng loạt và nội tuyến: Siêu âm có thể được thực hiện theo lô hoặc các quy trình nội tuyến liên tục. Để siêu âm các lô, đầu dò siêu âm được đưa vào bình mở hoặc lò phản ứng lô đóng. Để siêu âm dòng chảy liên tục, một tế bào dòng siêu âm được lắp đặt. Môi trường lỏng đi qua sonotrode (thanh rung siêu âm) trong một lần hoặc tuần hoàn và có tính đồng đều và hiệu quả cao khi tiếp xúc với sóng siêu âm.
Nhìn chung, các lực xâm thực mạnh mẽ, tiêu thụ năng lượng thấp và khả năng mở rộng quy trình làm cho siêu âm tần số thấp, công suất cao trở thành một phương pháp hiệu quả để xử lý chất lỏng.
Nguyên lý làm việc và việc sử dụng xử lý siêu âm
Siêu âm là một công nghệ xử lý thương mại, đã được nhiều ngành công nghiệp áp dụng để sản xuất quy mô lớn. Độ tin cậy và khả năng mở rộng cao cũng như chi phí bảo trì thấp và hiệu quả năng lượng cao làm cho bộ xử lý siêu âm trở thành một giải pháp thay thế tốt cho thiết bị xử lý chất lỏng truyền thống. Siêu âm mang lại nhiều cơ hội thú vị khác: Cavitation - hiệu ứng siêu âm cơ bản - tạo ra kết quả độc đáo trong các quá trình sinh học, hóa học và vật lý. Ví dụ, phân tán và nhũ hóa siêu âm dễ dàng tạo ra các công thức có kích thước nano ổn định. Cũng trong lĩnh vực chiết xuất thực vật, siêu âm là một kỹ thuật không nhiệt để phân lập các hợp chất hoạt tính sinh học.
Trong khi siêu âm cường độ thấp hoặc tần số cao chủ yếu được sử dụng để phân tích, kiểm tra và chụp ảnh không phá hủy, thì siêu âm cường độ cao được sử dụng để xử lý chất lỏng và bột nhão, trong đó sóng siêu âm cường độ cao được sử dụng để trộn, nhũ hóa, phân tán và khử kết tụ, phân hủy tế bào hoặc khử hoạt động enzyme. Khi siêu âm chất lỏng ở cường độ cao, sóng âm thanh lan truyền qua môi trường lỏng. Điều này dẫn đến các chu kỳ áp suất cao (nén) và áp suất thấp (hiếm) xen kẽ, với tốc độ tùy thuộc vào tần số. Trong chu trình áp suất thấp, sóng siêu âm cường độ cao tạo ra các bong bóng chân không nhỏ hoặc khoảng trống trong chất lỏng. Khi các bong bóng đạt đến thể tích mà chúng không còn có thể hấp thụ năng lượng, chúng sẽ sụp đổ dữ dội trong chu kỳ áp suất cao. Hiện tượng này được gọi là xâm thực. Trong quá trình nổ mìn, nhiệt độ rất cao (khoảng 5.000K) và áp suất (khoảng 2.000atm) đạt được cục bộ. Sự nổ tung của bong bóng xâm thực cũng dẫn đến các tia chất lỏng với vận tốc lên đến 280 mét / giây.
Sự xâm thực siêu âm trong chất lỏng có thể gây ra quá trình khử khí nhanh chóng và hoàn toàn; bắt đầu các phản ứng hóa học khác nhau bằng cách tạo ra các ion hóa học tự do (gốc); đẩy nhanh các phản ứng hóa học bằng cách tạo điều kiện thuận lợi cho việc trộn các chất phản ứng; tăng cường phản ứng trùng hợp và khử trùng hợp bằng cách phân tán cốt liệu hoặc bằng cách phá vỡ vĩnh viễn các liên kết hóa học trong chuỗi polyme; tăng tỷ lệ nhũ hóa; cải thiện tốc độ khuếch tán; sản xuất nhũ tương đậm đặc cao hoặc phân tán đồng đều của vật liệu kích thước micron hoặc nano; hỗ trợ chiết xuất các chất như enzym từ động vật, thực vật, nấm men hoặc tế bào vi khuẩn; loại bỏ vi rút khỏi mô bị nhiễm bệnh; và cuối cùng, ăn mòn và phá vỡ các hạt nhạy cảm, bao gồm cả vi sinh vật. (xem 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. (xem Ensminger, 1988) Tại các giao diện lỏng / rắn hoặc khí / rắn, sự nổ không đối xứng của bong bóng xâm thực có thể gây ra nhiễu loạn cực độ làm giảm lớp ranh giới khuếch tán, tăng sự truyền khối lượng đối lưu và tăng tốc đáng kể sự khuếch tán trong các hệ thống không thể trộn thông thường. (xem Nyborg, 1965)
Văn học
- 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).

Hielscher Ultrasonics sản xuất homogenizers siêu âm hiệu suất cao từ phòng thí nghiệm đến quy mô công nghiệp.