Ультразвуковое sonoхимическое оборудование экспериментального класса в форме гантели

Ультразвуковая экстракция

Ультразвуковая экстракция, также известная как ультразвуковая обработка, использует многоуровневые эффекты ультразвукового излучения — включая интенсивную кавитацию, перемешивание, высокое ускорение, фрагментацию частиц и возмущение — для повышения частоты и скорости молекулярного движения, улучшения проникновения растворителя, ускорения растворения целевых компонентов в растворителе и оптимизации эффективности экстракции. Этот метод широко применяется для разделения и извлечения как органических, так и неорганических компонентов из образцов, таких как продукты питания, фармацевтические препараты и промышленное сырьё.

Принцип экстракции

Ультразвуковые волны — это упругие механические колебательные волны, принципиально отличающиеся от электромагнитных волн. В то время как электромагнитные волны распространяются в вакууме, ультразвуковые волны могут распространяться только через среду, претерпевая в процессе распространения непрерывное расширение и сжатие. В жидкостях процесс расширения создаёт отрицательное давление. При достаточной интенсивности ультразвуковой энергии этот процесс может приводить к образованию пузырьков или разрушению жидкости на микроскопические полости. Эти полости мгновенно коллапсируют, создавая кратковременные давления до 3000 МПа — явление, известное как кавитация, которое происходит в течение 400 мкс. Кавитация способствует измельчению материалов, образованию эмульсий, ускоряет растворение целевых компонентов в растворителях и повышает эффективность экстракции. Помимо кавитации, многочисленные вторичные эффекты ультразвука дополнительно облегчают перенос и экстракцию компонентов. Ключевой механизм заключается в реакциях разрыва пузырьков: в определённых точках пузырьки перестают поглощать ультразвуковую энергию и подвергаются имплозии. Газ и пар внутри пузырьков подвергаются быстрому адиабатическому сжатию, что приводит к возникновению экстремальных температур и давлений. Поскольку объём пузырьков пренебрежимо мал по сравнению с объёмом жидкости, выделяемое тепло мгновенно рассеивается, оказывая минимальное воздействие на окружающую среду, а скорость охлаждения после разрыва пузырьков достигает примерно 10¹⁰ °C/с. Ультразвуковая кавитация создаёт уникальные взаимодействия между энергией и веществом, при которых высокие температуры и давления способствуют образованию свободных радикалов и других реакционноспособных частиц.

В чистых жидкостях при разрушении полости она сохраняет сферическую форму вследствие однородных окружающих условий; однако вблизи твёрдых границ разрушение происходит неравномерно, что приводит к образованию высокоскоростных струй жидкости, преобразующих потенциальную энергию расширяющегося пузырька в кинетическую энергию и выбрасывающих жидкость сквозь стенку пузырька. Сила удара таких струй о твёрдые поверхности чрезвычайно велика, вызывая значительное повреждение зоны воздействия и формируя высокоактивные новые поверхности. Сила удара, возникающая при деформации пузырька в момент его разрушения, в несколько раз превышает силу, генерируемую при резонансном колебании пузырька. Эти ультразвуковые эффекты обеспечивают высокую эффективность извлечения целевых компонентов из различных типов образцов. Применение ультразвука создаёт высокие температуру и давление на границе раздела между органическими растворителями и твёрдыми матрицами, а также сочетается с окислительной активностью свободных радикалов, образующихся при ультразвуковом разложении, обеспечивая превосходную эффективность экстракции.

Характеристики экстракции

1. По сравнению с традиционными методами экстракции ультразвуковая экстракция обеспечивает более высокую эффективность и сокращает продолжительность обработки;

2. Она менее ограничена выбором растворителя и позволяет добавлять сопутствующие экстрагенты для дальнейшего повышения полярности жидкой фазы и улучшения эффективности экстракции;

3. По сравнению с экстракцией сверхкритическим CO₂ и ультравысоконапорной экстракцией ультразвуковая экстракция требует более простого оборудования и меньших затрат;

4. В большинстве случаев она включает меньшее количество операций, отличается простотой процесса, минимальным риском загрязнения экстракта и осуществляется при более низких температурах, что делает её особенно подходящей для извлечения термолабильных компонентов.

Преимущества экстракции

1. Не требует высоких температур или атмосферного давления, характеризуется высоким уровнем безопасности, простотой эксплуатации, низкими затратами на техническое обслуживание и удобством использования;

2. Ультразвуковая экстракция менее чувствительна к свойствам как растворителя, так и целевых извлекаемых соединений;

3. Ультразвуковой процесс экстракции является экономически эффективным и обеспечивает значительные общие экономические выгоды, снижая энергопотребление и уменьшая затраты;

4. Он характеризуется высокой эффективностью экстракции и широкой применимостью, подходя для большинства компонентов лекарственных растений традиционной китайской медицины; 5. Позволяет осуществлять крупномасштабную переработку сырья, значительно повышая выход экстрактов при одновременном минимизации количества примесей и упрощении разделения и очистки биологически активных веществ.

Обзор устройства

Ультразвуковой экстрактор лабораторного класса состоит из пяти компонентов: подъёмной платформы, ультразвукового генератора, ультразвукового преобразователя, регулируемого амплитудного стержня и рабочей насадки. Устройство отличается удобством эксплуатации, регулируемой выходной мощностью, простотой очистки и портативностью.

Просмотр с разных углов

Экспериментальная демонстрация

Экспериментальный инструментальный наконечник в форме гантели обеспечивает более высокую мощность по сравнению с двумя другими типами, а его большая площадь контакта с поверхностью жидкости гарантирует превосходную эффективность экстракции. В видео демонстрируется эффективная ультразвуковая экстракция солодки и лепестков роз с выдающимися результатами.

Параметры установки

Применение ультразвукового оборудования

Ультразвуковое эмульгирующее оборудование широко используется в промышленных отраслях, таких как пищевая промышленность, производство бумаги, лакокрасочная промышленность, химическая промышленность, фармацевтика, текстильная промышленность, нефтедобыча и металлургия. Его можно легко интегрировать в существующие производственные линии, что позволяет производителям модернизировать своё оборудование с минимальными затратами. Ультразвуковая эмульгация также позволяет получать эмульсии, которые невозможно приготовить традиционными методами. В то время как традиционные методы перемешивания позволяют получать лишь 5%-ные водные эмульсии воска, под действием ультразвука возможно производство 20%-ных эмульсий воска.

Руководство по часто задаваемым вопросам

1. Что делать, если температура становится чрезмерно высокой во время обработки жидкости? ① Использовать импульсный режим. ② Применять охлаждение льдом в сочетании с импульсным режимом. ③ Использовать охладитель, обеспечивающий дополнительную мощность охлаждения. ④ Применять рабочую насадку, устойчивую к высоким температурам, во время обработки.

2. Как охладить преобразователь? Продолжительная ультразвуковая обработка может привести к передаче тепла от наконечника зонда к преобразователю. Перегрев может серьёзно повредить преобразователь и всю ультразвуковую систему. Для больших образцов, требующих непрерывной обработки более 30 минут, рекомендуется установить устройство воздушного охлаждения для преобразователя.

3. Как выбрать подходящий контейнер? Форма и размер контейнера: предпочтительнее узкие контейнеры по сравнению с широкими, поскольку ультразвуковая энергия генерируется на торцевой поверхности и передаётся вниз. Во время обработки образца жидкость выталкивается вниз и рассеивается во всех направлениях. Если контейнер слишком широкий, эффективное перемешивание не достигается, и некоторые образцы могут остаться необработанными у краёв. При заданном объёме время обработки в широких контейнерах короче, чем в узких (примерно в два раза). Кроме того, наконечник зонда не должен касаться стенок или дна контейнера. Диаметр торцевой поверхности: — 1/4 дюйма (6 мм): диапазон обрабатываемых объёмов — 10–50 мл; — 1/2 дюйма (12 мм): диапазон обрабатываемых объёмов — 20–250 мл; — 3/4 дюйма (19 мм): диапазон обрабатываемых объёмов — 50–500 мл; — 1 дюйм (25 мм): диапазон обрабатываемых объёмов — 100–1000 мл. Для каждого наконечника указан рекомендуемый диапазон объёмов образцов; выбор соответствующего размера наконечника важен не только для сокращения времени обработки, но и для увеличения срока службы наконечника. Использование стеклянной мешалки может дополнительно повысить максимальную ёмкость обработки зонда.

4. Каков минимальный размер капель, достижимый при ультразвуковой обработке? Ультразвуковые диспергаторы могут использоваться для получения стабильных наноэмульсий высокого качества, включая полупрозрачные наноэмульсии с размером капель менее 100 нм.

5. Является ли использование постоянной мощности 70 % при обработке образца целесообразным? Следует протестировать другие уровни мощности и оценить их влияние на результаты. Если при мощности 50 % достигаются идентичные результаты, нет необходимости использовать мощность 70 %. Однако рекомендуется поддерживать мощность ниже 80 % для продления срока службы зонда.

6. Глубина погружения вибрирующего элемента и проблемы образования пузырьков.

Кончик инструмента должен быть правильно погружён; если кончик не полностью погружён, образец может вспениваться или в нём могут образовываться пузырьки. Если кончик погружён слишком глубоко, эффективная циркуляция образца невозможна. Оба этих сценария приведут к плохим результатам. Вспенивание часто возникает при объёме образца менее 1 мл и может также вызываться установкой чрезмерно высокой амплитуды.

7. Как устранить кавитацию на поверхности наконечника инструментальных головок для работы с жидкостями? Оборудование оснащено сменными инструментальными головками (сменными колпачками), на концах которых имеются жёсткие резьбы для присоединения к инструментальной головке. При износе сменного колпачка вследствие кавитации его можно демонтировать и заменить.

8. Вреден ли ультразвук для человека? Какие меры безопасности следует соблюдать? Единственной известной проблемой является шум. Чтобы снизить уровень шума ультразвукового обработчика до приемлемого значения, его необходимо уменьшить примерно до 25 БА. Самое простое решение — использовать профессиональные шумоподавляющие беруши; они недороги и широко доступны, хотя их применение может быть неудобным во многих общественных местах. Другой вариант — разместить ультразвуковой обработчик внутри шумоподавляющего кожуха (глушителя или звукоизолирующего корпуса). Для лабораторного оборудования такие кожухи легко доступны, однако они должны обеспечивать достаточный уровень шумоподавления.