Обработка ультразвуком - Sonication

Эта статья о лабораторной процедуре. О процедуре опыления пчелами см. жужжание опыления.
Соникатор на Институт науки Вейцмана во время обработки ультразвуком

Обработка ультразвуком представляет собой действие звуковой энергии для перемешивания частиц в образце для различных целей, таких как извлечение множества соединений из растений, микроводорослей и морских водорослей.[1] Ультразвуковой обычно используются частоты (> 20 кГц), что приводит к тому, что процесс также известен как ультразвуковая обработка или же ультразвуковая обработка.[2]

В лаборатории его обычно наносят с помощью ультразвуковая ванна или ультразвуковой зонд, в просторечии известный как соникатор. В бумагоделательная машина, ультразвуковая фольга может более равномерно распределять волокна целлюлозы и укреплять бумагу.

Последствия

Обработка ультразвуком имеет множество эффектов, как химических, так и физических. Химические эффекты ультразвука связаны с пониманием влияния звуковых волн на химические системы, это называется сонохимия. Химические эффекты ультразвука не возникают в результате прямого взаимодействия с молекулами. Исследования показали, что никакая прямая связь акустического поля с химическими веществами на молекулярном уровне не может объяснить сонохимию.[3] или же сонолюминесценция.[4] Вместо этого в сонохимии звуковые волны мигрируют через среду, вызывая колебания давления и кавитации, которые растут и схлопываются, преобразовывая звуковые волны в механическую энергию.[1]

Приложения

Обработка ультразвуком может использоваться для производства наночастицы, Такие как наноэмульсии,[5] нанокристаллы, липосомы и восковые эмульсии, а также для очистки сточных вод, дегазации, экстракции полисахаридов морских водорослей[1] и растительное масло, экстракция антоцианов и антиоксидантов,[6] изготовление биотопливо, десульфуризация сырой нефти, разрушение клеток, обработка полимеров и эпоксидных смол, разбавление клея и многие другие процессы. Он применяется в фармацевтической, косметической, водной, пищевой, чернильной, лакокрасочной, лакокрасочной, деревообрабатывающей, металлообрабатывающей, нанокомпозитной, пестицидной, топливной, деревообрабатывающей и многих других отраслях промышленности.

Обработка ультразвуком может использоваться для ускорения растворения за счет нарушения межмолекулярных взаимодействий. Это особенно полезно, когда невозможно перемешать образец, как при ЯМР-трубки. Его также можно использовать для обеспечения энергией протекания определенных химических реакций. Обработка ультразвуком может использоваться для удаления растворенных газов из жидкостей (дегазация ) путем обработки жидкости ультразвуком, пока она находится под вакуумом. Это альтернатива замораживание-насос-оттаивание и барботаж методы.

В биологических приложениях обработки ультразвуком может быть достаточно, чтобы разрушить или дезактивировать биологический материал. Например, обработка ультразвуком часто используется для разрушать клеточные мембраны и выпустить клеточное содержимое. Этот процесс называется сонопорация. Мелкие однослойные пузырьки (SUV) могут быть получены обработкой ультразвуком дисперсии больших многослойных пузырьков (LMV). Обработка ультразвуком также используется для фрагментации молекул ДНК, при которой ДНК, подвергшаяся кратковременной обработке ультразвуком, разрезается на более мелкие фрагменты.

Обработка ультразвуком обычно используется в нанотехнологиях для равномерного диспергирования наночастиц в жидкостях. Кроме того, он используется для разрушения агрегатов коллоидных частиц микронного размера.

Обработку ультразвуком также можно использовать для инициирования процессов кристаллизации и даже для контроля полиморфной кристаллизации.[7] Он используется для вмешательства в осаждение антирастворителя (кристаллизация), чтобы способствовать смешиванию и изолированию мелких кристаллов.

Ультразвуковые машины для очистки записей на Швейцарский национальный звуковой архив

Обработка ультразвуком - это механизм, используемый в ультразвуковая чистка - разрыхляющие частицы, прилипшие к поверхности. В дополнение к лабораторным исследованиям, ультразвуковые ванны используются для очистки таких объектов, как очки и ювелирные украшения.

Обработка ультразвуком также используется в пищевой промышленности. Основные области применения - диспергирование для экономии дорогостоящих эмульгаторов (майонез) или для ускорения процессов фильтрации (растительное масло и т. Д.). Проведены эксперименты с ультразвуковой обработкой для искусственного старения спиртных напитков и других алкогольных напитков.

Образцы почвы часто подвергаются ультразвуковой обработке, чтобы разрушить агрегаты почвы; это позволяет изучать различные составляющие почвенных агрегатов (особенно органическое вещество почвы ), не подвергая их жесткой химической обработке.[8]

Обработка ультразвуком также используется для извлечения микрофоссилий из рока.[9]

Оборудование

Схема настольных и промышленных ультразвуковых жидкостных процессоров

Значительная интенсивность ультразвука и высокие амплитуды ультразвуковых колебаний требуются для многих технологических процессов, таких как нанокристаллизация, наноэмульгирование,[5] деагломерация, экстракция, разрушение клеток и многие другие. Обычно процесс сначала тестируется в лабораторном масштабе, чтобы доказать осуществимость и установить некоторые требуемые параметры ультразвукового воздействия. После завершения этого этапа процесс переводится в пилотный (стендовый) масштаб для оптимизации предпроизводственного потока, а затем в промышленный масштаб для непрерывного производства. На этих этапах масштабирования важно убедиться, что все местные условия воздействия (амплитуда ультразвука, кавитация интенсивность, время пребывания в активной зоне кавитации и т. д.) остаются прежними. Если это условие выполняется, качество конечного продукта остается на оптимизированном уровне, а производительность увеличивается за счет предсказуемого «коэффициента масштабирования». Повышение производительности связано с тем, что лабораторные, настольные и промышленные ультразвуковые процессорные системы включают в себя все более крупные ультразвуковые рожки, способный генерировать все более и более высокоинтенсивные кавитация зон и, следовательно, для обработки большего количества материала в единицу времени. Это называется «прямая масштабируемость». Важно отметить, что только увеличение мощности ультразвукового процессора нет приводят к прямому масштабированию, поскольку это может (и часто сопровождается) сопровождаться уменьшением ультразвуковой амплитуды и интенсивности кавитации. Во время прямого масштабирования необходимо поддерживать все условия обработки, в то время как номинальная мощность оборудования увеличивается, чтобы обеспечить работу ультразвукового рупора большего размера.[10][11][12]Поиск оптимальных условий работы для этого оборудования является сложной задачей для инженеров-технологов и требует глубоких знаний о побочных эффектах ультразвуковых процессоров.[13]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c Гарсиа-Вакеро, М .; Rajauria, G .; O'Doherty, J.V .; Суини, Т. (01.09.2017). «Полисахариды из макроводорослей: последние достижения, инновационные технологии и проблемы в экстракции и очистке». Food Research International. 99 (Pt 3): 1011–1020. Дои:10.1016 / j.foodres.2016.11.016. HDL:10197/8191. ISSN  0963-9969. PMID  28865611.
  2. ^ «Онтология».
  3. ^ Суслик, К. С. (1990). «Сонохимия». Наука. 247 (4949): 1439–1445. Bibcode:1990Sci ... 247.1439S. Дои:10.1126 / science.247.4949.1439. PMID  17791211. S2CID  220099341.
  4. ^ Suslick, K. S .; Фланниган, Д. Дж. (2008). «Внутри схлопывающегося пузыря, сонолюминесценция и условия во время кавитации». Анну. Rev. Phys. Chem. 59: 659–683. Bibcode:2008ARPC ... 59..659S. Дои:10.1146 / annurev.physchem.59.032607.093739. PMID  18393682.
  5. ^ а б Пешковский, А.С., Пешковский, С.Л., Быстряк, С. «Масштабируемая мощная ультразвуковая технология для производства полупрозрачных наноэмульсий», Химическая технология и обработка: интенсификация процессов, 2013. 69: с. 77–62.
  6. ^ Голмохамади, Амир (сентябрь 2013 г.). «Влияние частоты ультразвука на антиоксидантную активность, общее содержание фенолов и антоцианов в пюре из красной малины». Ультразвуковая сонохимия. 20 (5): 1316–23. Дои:10.1016 / j.ultsonch.2013.01.020. PMID  23507361.
  7. ^ Деора Н.С., Мисра Н.Н. и др. (2013) Ультразвук для улучшения кристаллизации в пищевой промышленности, Food Engineering Reviews, 5 (1): 36-44.
  8. ^ Кайзер, Майкл; Асефау Берхе, Асмерет (август 2014 г.). «Как обработка ультразвуком влияет на минеральные и органические составляющие почвенных агрегатов? - Обзор». Журнал питания растений и почвоведения. 177 (4): 479–495. Дои:10.1002 / jpln.201300339. Получено 18 февраля 2016.
  9. ^ Gensel, P.G .; Johnson, N.G ​​.; Стротер, П. (1990). «Обломки ранних наземных растений (« Бродяги и бродяги »Хукера?)». ПАЛАИ. 5 (6): 520–547. Bibcode:1990 Палай ... 5..520G. Дои:10.2307/3514860. JSTOR  3514860.
  10. ^ Пешковский, С. и Пешковский, А.С., "Согласование преобразователя с водой при кавитации: принципы проектирования акустического рупора", Ультразвук. Сонохим., 2007. 14: с. 314–322.
  11. ^ В КАЧЕСТВЕ. Пешковский, С. Пешковский «Промышленная обработка жидкостей с помощью высокоинтенсивной акустической кавитации - лежащая в основе теория и принципы проектирования ультразвукового оборудования», В: Новак Ф. М., ред. Сонохимия: теория, реакции и синтез, и приложения, Хауппог, Нью-Йорк: Nova Science Издатели; 2010 г.
  12. ^ В КАЧЕСТВЕ. Пешковский, С. Пешковский "Теория акустической кавитации и принципы проектирования оборудования для промышленного применения высокоинтенсивного ультразвука", серия книг: Physics Research and Technology, Hauppauge, NY: Nova Science Publishers; 2010 г.
  13. ^ Парварех А., Мохаммадифар А., Кейхани М. и Язданпанах Р. (2015). Статистическое исследование побочных тепловых эффектов ультразвукового перемешивания в системе газ-жидкость. В: 15-й Иранский национальный конгресс химической инженерии (IChEC 2015). Дои:10.13140/2.1.4913.9524