Ультразвуковая гомогенизация (Ultrasonic Homogenization) - это технология обработки жидких или полужидких материалов с использованием физических эффектов, создаваемых высокочастотными ультразвуковыми вибрациями. Его основная роль заключается в том, чтобы через эффект кавитации, вызванный ультразвуком, « механический сдвиг » « турбулентные возмущения» и другие эффекты, чтобы сломать частицы, droplets (капли жидкости) или агрегаты в материале, чтобы достичь детализации материала, дисперсии, смешивания, эмульсии или дробления клеток, в конечном итоге получить систему с равномерным составом и высокой стабильностью.
Он широко используется в пищевой промышленности, биомедицине, материаловедении, косметике и многих других областях, является ключевой технологией для достижения микростандартизации материалов.
I. Основной принцип работы: как ультразвук достигает « однородности»?
Основной движущей силой ультразвуковой гомогенизации является эффект кавитации (Cavitation), в сочетании с механическим сдвигом и турбулентностью, чтобы совместно завершить уточнение и выравнивание материала, конкретный процесс можно разделить на три этапа:
Формирование кавитационных пузырьков: ультразвуковой генератор генерирует высокочастотные звуковые волны от 15 кГц до 1 МГц, которые вводятся в материал через зонд (ультразвуковой амплитудный стержень). При попеременном сжатии и растяжении звуковых волн образуется большое количество крошечных « кавитационных пузырей» (крошечных пузырьков, заполненных газом или паром) в жидкости.
Рост и коллапс кавитационных пузырьков: по мере вибрации звуковых волн кавитационные пузыри расширяются на стадии растяжения и быстро разрушаются на стадии сжатия (срок службы всего несколько микросекунд). Крах мгновенно создает экстремальные физические условия:
Местная высокая температура (до 5000K), высокое давление (до 100 МПа);
Сильные микроструи (со скоростью до 100 м / с) и ударные волны;
Сильная турбулентность и сдвиг.
Материальная гомогенизация: эти экстремальные условия непосредственно воздействуют на частицы, капли или клетки в материале:
Преодоление твердых частиц из агрегатов (например, дисперсия наночастиц в жидкостях);
Разрыв капель жидкости в жидкости (например, эмульсия масляной фазы в водной фазе);
Пробивая клеточную стенку клетки (например, бактерии, дробление растительных клеток), материал в конечном итоге образует дисперсную систему равномерного состава.
II. Основные сценарии применения: Ультразвуковая гомогенизация "Что можно сделать"?
Применение ультразвуковой гомогенизации охватывает несколько отраслей промышленности, ядром является решение таких проблем, как « неравномерность материалов», « чрезмерные частицы » и « трудности дисперсии», конкретные сценарии заключаются в следующем:
1. Биомедицинская область: дробление клеток и извлечение компонентов
Это одно из классических применений ультразвуковой гомогенизации, которое в основном используется для извлечения активных ингредиентов из клеток.
Клеточная дробление: ударная сила и сила сдвига, создаваемые эффектом кавитации, пробивает клеточную стенку бактерий, дрожжей, растительных клеток (например, водорослей, клеток китайской медицины) и высвобождает белки, ферменты, нуклеиновые кислоты, полисахариды и другие активные вещества в клетках.
Примеры: лабораторное извлечение рекомбинантных белков из кишечной палочки, полисахара из спор травяной палочки и хлорофилла из водорослей.
гомогенизация препаратов: используется для подготовки нанофармацевтических носителей (например, липидов, наночастиц), которые более равномерно рассеивают препарат путем уточнения капель жидкости, повышая растворимость и биодоступность препарата.
Пример: подготовка нанопрепаратов для противораковых препаратов, уменьшение размера частиц препарата, усиление проникновения опухолевых тканей.
2. Промышленность пищевых продуктов и напитков: эмульсия, децентрализация и оптимизация качества
Используется для улучшения вкуса, стабильности и питательной ценности пищевых продуктов, избегая таких проблем, как расслоение и осаждение.
Эмульгация: смешивание нерастворимых жидкостей (например, масла и воды) в стабильную эмульсию.
Примеры: приготовление салатного соуса (масляная фаза + гидроэмульсия), растительных белковых напитков (например, соевого молока, чтобы избежать осаждения белковых частиц), мороженого (уточнение жировых шариков, повышение тонкого вкуса).
Дифференцированная обработка: нарушение воссоединения порошкового материала в жидкости для достижения равномерной дисперсии.
Примеры: Шоколадный соус (уточненные гранулы какао - порошка, избегая сгустков), сок (диспергированные гранулы мякоти, повышающие однородность вкуса), питательные добавки (например, белковый порошок, жидкая дисперсия пробиотиков).
Бактерицидная помощь: Высокая температура и высокое давление, создаваемые эффектом кавитации, могут помочь уничтожить некоторые микроорганизмы (например, бактерии, плесень), в сочетании с традиционным процессом стерилизации для повышения безопасности пищевых продуктов (неосновные средства стерилизации, в основном вспомогательные).
3. Область материаловедения: подготовка и дисперсия наноматериалов
Используется для подготовки или обработки наноматериалов для решения проблемы легкости воссоединения нанопорошков.
Распределение нанопорошков: нанопорошки, такие как углеродные нанотрубки, графен, нанодиоксид титана и т.д., рассеиваются в воде или органических растворителях, образуя стабильные дисперсии (чтобы избежать снижения производительности в результате воссоединения).
Пример: подготовка графеновой проводящей пасты (равномерное рассеивание для обеспечения электропроводности), нанокраски (уточнение частиц краски, повышение выравнивания покрытия и коррозионной стойкости).
Синтез наноматериалов: через экстремальные условия кавитационного эффекта индуцированные химические реакции генерируют наночастицы (например, нанометаллические частицы, квантовые точки), а размер частиц более однородный, а размер частиц контролируется.
4. Косметика и гелиохимия: приготовление эмульсии и оптимизация текстуры
В косметике эмульсия, крем и т. Д. В основном эмульсионная система, ультразвуковая однородность может повысить стабильность продукта и чувство использования.
Приготовление эмульсии: масляная фаза (например, минеральное масло, растительный жир) и водная фаза (например, глицерин, вода) образуют стабильную эмульсию путем эмульсии, избегая расслоения.
Пример: крем (уточненные частицы жира, так что текстура более тонкая и легко усваивается), солнцезащитный крем (диспергирующие частицы солнцезащитного средства, повышающие солнцезащитный эффект и чувство кожи).
Активные ингредиенты диспергируются: активные ингредиенты, такие как витамин С и никотинамид, равномерно распределяются по основным веществам, чтобы обеспечить согласованность эффективности продукта.
5. Область экологической инженерии: очистка и разложение сточных вод
Воздействие ультразвука на кавитацию используется для разложения загрязняющих веществ или предварительной обработки осадка.
Деградация органических загрязнителей: гидроксильные свободные радикалы (.OH), образующиеся при коллапсе кавитационных пузырьков, обладают сильной окислительностью и могут разлагать трудноразлагаемые органические вещества (например, пестициды, красители, нефтяные загрязнители) в сточных водах.
Предварительная обработка ила: дробление микробных клеток в осадке, высвобождение внутриклеточной влаги, снижение содержания воды в осадке, облегчение последующей обезвоживания.