обработка ультразвуком
Обработка ультразвуком — это применение звуковой энергии для перемешивания частиц в образце для различных целей, таких как извлечение множества соединений из растений, микроводорослей и морских водорослей. [1] ультразвуковые Обычно используются частоты (> 20 кГц), поэтому этот процесс также известен как ультразвуковая обработка или ультразвуковая обработка . [2]
В лаборатории его обычно применяют с помощью ультразвуковой ванны или ультразвукового зонда , в просторечии известного как ультразвуковой прибор . В бумагоделательной машине ультразвуковая фольга может более равномерно распределять целлюлозные волокна и укреплять бумагу.
Эффекты
[ редактировать ]Обработка ультразвуком имеет множество эффектов, как химических, так и физических. Научная область, изучающая влияние звуковых волн на химические системы, называется сонохимией . Химические эффекты ультразвука не возникают в результате прямого взаимодействия с молекулярными частицами. Исследования показали, что никакая прямая связь акустического поля с химическими веществами на молекулярном уровне не может объяснить сонохимию. [3] или сонолюминесценция . [4] Вместо этого в сонохимии звуковые волны мигрируют через среду, вызывая изменения давления и кавитации, которые растут и разрушаются, преобразуя звуковые волны в механическую энергию. [1]
Приложения
[ редактировать ]Обработку ультразвуком можно использовать для производства наночастиц , таких как наноэмульсии . [5] нанокристаллы, липосомы и восковые эмульсии, а также для очистки сточных вод, дегазации, извлечения полисахаридов морских водорослей [1] и растительное масло, экстракция антоцианов и антиоксидантов, [6] производство биотоплива , десульфурация сырой нефти, разрушение клеток , обработка полимеров и эпоксидных смол, разжижение 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.
Обработку ультразвуком можно использовать для ускорения растворения за счет нарушения межмолекулярных взаимодействий. Это особенно полезно, когда невозможно перемешать образец, как в случае с пробирками ЯМР . Его также можно использовать для обеспечения энергией для протекания определенных химических реакций. Обработку ультразвуком можно использовать для удаления растворенных газов из жидкостей ( дегазация ) путем обработки жидкости ультразвуком, пока она находится под вакуумом. Это альтернатива методам замораживания-оттаивания и барботажа .
В биологических приложениях обработки ультразвуком может быть достаточно, чтобы разрушить или дезактивировать биологический материал. Например, обработка ультразвуком часто используется для разрушения клеточных мембран и высвобождения клеточного содержимого. Этот процесс называется сонопорацией . Маленькие однослойные везикулы (SUV) можно получить путем обработки ультразвуком дисперсии больших многослойных везикул (LMV). Обработка ультразвуком также используется для фрагментации молекул ДНК, при этом ДНК, подвергнутая кратковременному воздействию ультразвука, 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 (кристаллизацию), чтобы облегчить смешивание и изолировать мелкие кристаллы.
Обработка ультразвуком — это механизм, используемый при ультразвуковой очистке : разрыхление частиц, прилипших к поверхностям. Помимо применения в лабораторных исследованиях, ультразвуковые ванны применяются для очистки таких предметов, как очки и ювелирные изделия .
Ультразвуковая обработка также используется в пищевой промышленности. Основное применение - диспергирование для экономии дорогостоящих эмульгаторов (майонез) или ускорения процессов фильтрации (растительное масло и т. д.). Были проведены эксперименты с ультразвуковой обработкой для искусственного выдерживания спиртных напитков и других алкогольных напитков.
Образцы почвы часто подвергаются ультразвуку, чтобы разрушить почвенные агрегаты; это позволяет изучать различные компоненты почвенных агрегатов (особенно органическое вещество почвы ), не подвергая их жесткой химической обработке. [8]
Обработка ультразвуком также используется для извлечения микрокаменелостей из камня. [9]
или ультразвуковая ванна Для экстракции используется система ультразвуковых зондов. Например, этот метод был предложен для удаления изофлавонов из соевых бобов и фенольных соединений из пшеничных отрубей и порошка скорлупы кокосовых орехов . [10] Результаты различаются для каждого используемого сырья и растворителя , а также для других методов экстракции. Акустическая или ультразвуковая кавитация является основой операции экстракции с помощью ультразвука. [11]
Оборудование
[ редактировать ]
Значительная интенсивность ультразвука и высокие амплитуды ультразвуковых колебаний необходимы для многих технологических процессов, таких как нанокристаллизация, наноэмульгирование, [5] деагломерация, экстракция, разрушение клеток, а также многие другие. Обычно процесс сначала тестируется в лабораторном масштабе, чтобы доказать его осуществимость и установить некоторые необходимые параметры ультразвукового воздействия. После завершения этого этапа процесс переводится в пилотный (стендовый) масштаб для сквозной оптимизации перед производством, а затем в промышленный масштаб для непрерывного производства. На этапе масштабирования важно убедиться, что все местные условия воздействия (амплитуда ультразвука, интенсивность кавитации , время пребывания в активной зоне кавитации и т. д.) остаются неизменными. При выполнении этого условия качество конечного продукта остается на оптимизированном уровне, а производительность увеличивается на предсказуемый «коэффициент масштабирования». Увеличение производительности является результатом того, что лабораторные, лабораторные и промышленные системы обработки ультразвуковых сигналов включают в себя все более крупные ультразвуковые рупоры , способные генерировать все более крупные и интенсивные кавитационные потоки. зон и, следовательно, обрабатывать больше материала в единицу времени. Это называется «прямой масштабируемостью». Важно отметить, что увеличение мощности ультразвукового процессора само по себе не приводит к прямой масштабируемости, поскольку может сопровождаться (и часто сопровождается) уменьшением амплитуды ультразвука и интенсивности кавитации. Во время прямого масштабирования необходимо поддерживать все условия обработки, в то время как номинальная мощность оборудования увеличивается, чтобы обеспечить работу более крупного ультразвукового рупора. [12] [13] [14] Поиск оптимальных условий работы этого оборудования является непростой задачей для инженеров-технологов и требует глубоких знаний о побочных эффектах ультразвуковых процессоров. [15]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с Гарсиа-Вакеро, М.; Раджаурия, Г.; О'Доэрти, СП; Суини, Т. (01 сентября 2017 г.). «Полисахариды из макроводорослей: последние достижения, инновационные технологии и проблемы в экстракции и очистке». Международное исследование пищевых продуктов . 99 (Часть 3): 1011–1020. дои : 10.1016/j.foodres.2016.11.016 . hdl : 10197/8191 . ISSN 0963-9969 . ПМИД 28865611 . S2CID 10531419 .
- ^ Колин Бэтчелор. «Ультразвуковая обработка» . Онтология химических методов . Королевское химическое общество . Проверено 17 апреля 2023 г.
- ^ Суслик, К.С. (1990). «Сонохимия». Наука . 247 (4949): 1439–1445. Бибкод : 1990Sci...247.1439S . дои : 10.1126/science.247.4949.1439 . ПМИД 17791211 . S2CID 220099341 .
- ^ Суслик, Канзас; Фланниган, диджей (2008). «Внутри схлопывающегося пузыря, сонолюминесценция и условия кавитации». Анну. Преподобный физ. Хим . 59 : 659–683. Бибкод : 2008ARPC...59..659S . doi : 10.1146/annurev.physchem.59.032607.093739 . ПМИД 18393682 .
- ^ Jump up to: а б Пешковский А.С.; Пешковский С.Л.; Быстряк, С. (2013). «Масштабируемая мощная ультразвуковая технология производства полупрозрачных наноэмульсий». Химическая инженерия и переработка: интенсификация процессов . 69 : 77–82. дои : 10.1016/j.cep.2013.02.010 .
- ^ 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 . ПМИД 23507361 .
- ^ Деора, Н.С.; Мисра, Н.Н.; Десваль, А.; Мишра, Х.Н.; Каллен, ПиДжей; Тивари, БК (2013). «Ультразвук для улучшения кристаллизации в пищевой промышленности» . Обзоры пищевой инженерии . 5 (1): 36–44. дои : 10.1007/s12393-012-9061-0 . S2CID 55520937 .
- ^ Кайзер, Майкл; Асефав 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 . Проверено 18 февраля 2016 г.
- ^ Гензель, П.Г.; Джонсон, Нью-Йорк; Стротер, ПК (1990). «Ранние обломки наземных растений («Бродяги и бездомные» Хукера?)». ПАЛЕОС . 5 (6): 520–547. Бибкод : 1990Палай...5..520G . дои : 10.2307/3514860 . JSTOR 3514860 .
- ^ Кэтрин Васька, Сьюзен; Муралакар, Паванкумар; Х.С., Арункумар; Д, Манодж; Надигер, Зеемантини; Д, Джевита; Чиммалаги, Умеш; ТВ, Винай; М, Нагараджу (04 июля 2023 г.). «СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ В ПРОИЗВОДСТВЕ И ПЕРЕРАБОТКЕ РЫБНОГО ЖИРА И МЕТОДЫ ХИМИЧЕСКОГО АНАЛИТИЧЕСКОГО АНАЛИТИЧЕСКОГО МЕТОДА: ОБЗОР» . Европейский химический бюллетень . 12 (5): 1705–1725. doi : 10.48047/ecb/2023.12.si5a.049 (неактивен 31 января 2024 г.).
{{cite journal}}: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на январь 2024 г. ( ссылка ) - ^ Петиньи, Лоик; Перино-Иссартье, Сандрин; Вайсман, Жоэль; Чемат, Фарид (12 марта 2013 г.). «Перийная и непрерывная экстракция листьев болдо (Peumusboldus Mol.) с помощью ультразвука» . Международный журнал молекулярных наук . 14 (3): 5750–5764. дои : 10.3390/ijms14035750 . ПМЦ 3634473 . ПМИД 23481637 .
- ^ Пешковский С.Л.; Пешковский А.С. (2007). «Согласование преобразователя с водой в условиях кавитации: принципы проектирования акустического рупора». Ультразвуковая сонохимия . 14 (3): 314–322. дои : 10.1016/j.ultsonch.2006.07.003 . ПМИД 16905351 .
- ^ А.С. Пешковский, С.Л. Пешковский «Промышленная обработка жидкостей высокоинтенсивной акустической кавитацией - основная теория и принципы проектирования ультразвукового оборудования», В: Новак Ф.М., под ред., Сонохимия: теория, реакции и синтезы, а также приложения, Hauppauge. , Нью-Йорк: Издательство Nova Science; 2010.
- ^ А.С. Пешковский, С.Л. Пешковский «Теория акустической кавитации и принципы проектирования оборудования для промышленного применения ультразвука высокой интенсивности», Серия книг: Физические исследования и технологии, Хауппож, Нью-Йорк: Nova Science Publishers; 2010.
- ^ Парварех А., Мохаммадифар А., Кейхани М. и Язданпана Р. (2015). Статистическое исследование термических побочных эффектов ультразвукового смешивания в системе газ-жидкость. В: 15-й Иранский национальный конгресс химической инженерии (IChEC 2015). дои : 10.13140/2.1.4913.9524