التراسونیک هموژنایزر یا سونیکاتور
التراسونیک هموژنایزر، التراسونیک پروب دار یا سونیکاتور
در آزمایشگاه‌های علمی و پژوهشی و در مراکز صنعتی برای فرآیندهای شمیایی از دو نوع دستگاه التراسونیک استفاده می‌شود که شامل حمام التراسونیک و التراسونیک هموژنایزر می‌شود. شرکت فناوری‌ایرانیان‌پژوهش‌نصیر تاکنون به طراحی وساخت انواع التراسونیک پراب دار پرداخته است. در ذیل توضیحاتی در مورد نحوه عملکرد، ویژگی‌ها، کاربردها و مزیت های این دستگاه توضیحاتی را ارائه می نماییم.
همان‌طور که در صفحه التراسونیک توضیح دادیم انتهای هورن یا پروب التراسونیک هموژنایزر حدود 100 میکرون با فرکانس 20 تا 30 کیلوهرتز(بسته به طراحی) جابه‌جا می شود. یعنی نوک هورن در هرثانیه 20 هزار بار از محل اولیه خود 100 میکرومتر جلوتر و عقب تر می رود. با توجه به جابه‌جایی بسیار کم و سریع نوک هورن، بدیهی است چشم انسان قابلیت مشاهده‌ی چنین حرکتی را ندارد، بنابراین حرکت نوک هورن با جشم دیده نخواهد شد. حال اگر ابتدای هورن را درون مایعی مثل آب قرار دهیم چه اتفاقی می افند؟
برای اینکه درک راحت تری از اینکه درون آب چه اتفاقی می افتذ یک دوره از حرکت هورن را بررسی می کنیم. هورن حرکت نوسانی خود را آغاز کرده و از مبدا خود به سمت بیرون به اندازه‌ی دامنه نوسان خود(حدود50 میکرون) حرکت می کند. شتاب این حرکت حدود 25 هزار برابر شتاب جاذبه (g=9.8 m/s2) است که عدد فوق العاده بزرگی است. این شتاب باعث به عقب رانده شدن مایع از جلوی هورن با شدت بسیار زیادی می گردد در ادامه‌ی دوره نوسانی هورن به عقب برگشته و این حرکت به اندازه‌ی دامنه نوسان عقب تر از محل ابتدایی نوک ادامه پیدا می کند، چون مایع نمی تواند با این سرعت فضای خالی شده(100 میکرومتری که نوک به عقب بازگشته) را پر نماید، حباب هایی از خلاء درون آب تشکیل می شود که به آنها حفره(cavity) و به این فرآیند حفره‌سازی(cavitation) گفته می شود. کویتاسیون همان فرآیندی است که باعث تخریب پره‌های کشتی می گردید. سرعت حرکت حفرهها درون محلول می تواند تا 1000 کیلومتر بر ساعت برسد؛ که در مورد اثرات آن در ادامه صحبت خواهیم کرد.
حفره‌سازی یا کویتاسوین
همان‌گونه که در بالا اشاره شد در اثر جابه‌جایی‌های نوک درون محلول حفره‌سازی اتفاق می‌افتد. دورن حفرهها خلاء است، که با دورشدن از نوک هورن بزرگتر می شوند تا فشار بیرونی بر آنها غلبه نموده و باعث فروپاشی(collapse) حباب‌ها می‌گردد. برخلاف حباب‌هایی که درون آنها از گاز پر شده است که بیرون می‌ترکند، حباب‌های خلاء به سمت درون خورد می شکنند.
همان طور که در شکل مشاهده می گردد هنگام ف‍روری‍زش حفره قطرات مایعی که روی سطح آن قرار دارند به صورت یک جت که سرعت آن تا 200متر بر ثانیه می رسد به نقطه‌ی مقابل حفره برخورد می کنند و در نقطه‌ی برخورد انرژی بسیار زیادی آزاد می گردد؛ که باعث ایجاد فشار نقطه‌ای تا bar 500 و دمای نقطه‌ای تا 4000 کلوین می گردد. این فشار و دمای بسیار بالا در یک نقطه باعث ایجاد یک میکروراکتور می‌گردد که باعث تسریع بسیار زیاد واکنش‌های شیمیایی می گردد. اگر ذره‌‌ای از پودر درون مایع وجود داشته باشد، در صورت که پودر مایع در حین فرآیند روی حفره قرار گیرد در اثر ضربه شدید حاصل از ف‍روری‍زش ممکن است خرد شده و به ذرات بسیار ریزتری تبدیل شود و یا در اثر شدت بسیار زیاد آن ممکن است به هم جوش خورده و ذرات بزرگتری را تشکیل دهد.
دیگر اثرات سونیکاتور
- اختلاط: در اثر حرکت سریع حفرهها درون مایع و همچنین ایجاد نقاط کم فشارو پرفشار درون محلول شرایط برای اختلاط یا هم خوردن محلول به شدت ایحاد می گردد.
- ایجاد رادیکال های آزاد: در اثر ف‍روری‍زش حفرهها درون آب رادیکال های آزاد ایجاد می گردد که می تواند باعث شکل‌گیری واکنش‌های زیر گردد:
- گرم شدن محلول: در اثر تابش امواج فراصوت عملا انرژی در حال ورودی به محلول است بنابراین محلول با گذشت زمان گرم‌تر خواهد شد. میزان گرمایش محلول بسیار کمتر از تجهیزاتی است که بدین منظور ساخته شده‌اند و در صورتی که گرما برای فرآیند شما مضر است باید از روش‌های خنک‌سازی استفاده شود.
کاربردهای التراسونیک
اختلاط، ایجاد نقاط کم فشار و پرفشار، کویتاسیون، ایجاد فشار و دمای نقطه‌ای بسیار بالا و ضرابات شدید می تواند باعث کاربردهای زیر گردد:
- امولسیون سازی(emulsifying)
- همگن سازی(homogenizing)
- تخریب دیواره سلولی
- دیسپرس کردن(dispersion)
- تسریع واکنش های شیمیایی
- کاهش ابعاد ذرات
- سنتز نانومواد
- عصاره گیری
- و ....
در ادامه توضیحات مختصری در مورد هریک از موارد بالا را ارئه می دهیم:
امولسیون‌سازی: ترکیباتی وجود که به صورت طبیعی در یکدیگر حل نمی‌شوند و با یکدیگر تشکیل یک ترکیب دو یا چند‌فازی می‌دهند. برای مثال ترکیب آب و روغن هیچگاه در هم حل نمی شوند و در صورت اختلاط به سرعت از یکدیگر جدا شده و دو فاز می گردند. با دستگاه التراسونیک هموژنایزر می توان این مواد یا ترکیبات مشابه را در عرض مدت زمان بسیار کوتاه و در حجم‌های بسیار کم تا زیاد به صورت برخط یا در batch و در دما و فشار اتاق به امولسیون و به عبارت دیگر به نانوامولسیون تبدیل کرد. میزان زمان و انرژی مورد نیاز ارتباط مستقیم با خاصیت مواد و شرایط فرآیند دارد. همچنین میزان پایداری نانوامولسیون به نسبت ترکیب مواد، میزان و زمان تابش امواج التراسونیک بستگی دارد. اما آنچه قطعا می توان به آن اشاره نمود موارد زیر است:
- کاهش بسیار زیاد زمان مورد نیاز برای ساخت امولسیون
- کاهش مصرف امولسیفایر
- امکان انجام فرآیند در دما و فشار اتاق
- قابلیت مقیاس پذیری(scalability) به معنای اینکه اگر نمونه‌یشما در حجم 100سی‌سی تست شد با شرایط نسبتا خطی قابلیت گسترش تا حجم های بالاتر را دارد
همگن سازی: التراسونیک هموژنایزر دستگاهی قدرتمند برای اختلاط و همگن‌سازی سوسپانسیون‌های جامد-مایع و مایع مایع است. دستگاه‌های التراسونیک پروب‌دار با کاهش ابعاد ذرات یا قطرات و توزیع یکسان آنها در تمام محلول باعث همگن سازی می‌شوند.
تخریب دیواره سلولی: هنگامی که حباب‌های خلاء درون محلول فرومی‌شکنند، باعث تخریب دیواره سلولی می گردد و بدین صورت از این دستگاه به منظور استخراج DNA و مواد موثره استفاده می گردد. از جمله مزیت این روش می توان به استخراج موارد ذکر شده در دمای اتاق اشاره کرد که باعث بالا رفتن کیفیت مواد استخراج شده می گردد. گرچه در بالا اشاره شد که در هنگام ف‍روری‍زش حباب دمای نقطه‌ای تا 4000 کلوین بالا می‌رود اما با استفاده از حمام یخ در اطراف محلول می توان دمای محلول را ثابت نگه داشت و از تخریب مواد و آنزیم‌ها جلوگیری نمود.
دیسپرس کردن: فرآیندهایی که در موارد همگن‌سازی و امولسیون‌سازی به آنها اشاره شد، باعث disperse شدن ذرات درون محلول نیز می‌گردد. یکی از فرآیندهایی که می‌تواند فرآیند دیسپرس کردن را تسریع و تسهیل کند این است که در صورتی که شما نیاز به دیسپرس کردن مثلا 100 گرم از پودر ماده‌ای در 100 کیلوگرم از محلولی را دارید، می توانید 100 گرم پودر خود را در 1 کیلوگرم از محلول خود را با التراسونیک هموژنایزر دیسپرس کرده و سپس خروجی فرآیند را در باقی محلول مخلوط نمایید و با هم زدن معمولی به نتیجه‌ی دلخواه دست پیدا کنید. این روش باعث افزایش سرعت و همچنین عدم نیاز به استفاده از دستگاه با ظرفیت و توان بسیار بالاست.
تسریع واکنش‌های شیمیایی: در بالا ذکر شد که در اثر ف‍روری‍زش حفرهها(cavity) دمای نقطه‌ای تا 4000 کلوین و فشار تا 500 بار بالا می رود. همچنین این فرآیند باعث کاهش ابعاد ذرات و قطرات می گردد که خود باعث افزایش بسیار زیاد سطح موثر می‌گردد. از طرفی فرآیند اختلاط و توزیع یکسان مواد به خوبی صورت می‌پذیرد و رادیکال‌های آزاد نیز در محلول منتشر می‌گردد؛ تمامی این فرآیندها باعث افزایش سرعت واکنش‌های شیمیایی می گردد تا آنجایی که موجب ایجاد موضوع تحقیقاتی تحت عنوان سونوشیمی (sonochemistry) گردیده است. کتاب‌ها ومقالات بسیاری در زمینه‌ی سونوشیمی منتشر شده است. همچنین مجلات متعددی مقالات صرفا در زمینه‌ی سونوشیمی را منتشر می کنند.
سنتر نانو مواد: سنتز نانومواد هم چون یک نوع واکنش شیمیایی است استفاده از التراسونیک هموژنایزر باعث تسریع در فرآیند آن نیز می گردد و از طرفی توانایی کاهش ابعاد ذرات به این فرآیند کمک می نماید. به عنوان نمونه در فرآیند تولید نانوذرات اکسید روی(ZnO) با استفاده از التراسونیک پروب‌دار سرعت واکنش تولید نانوذرات نسبت به سرعت انجام همان واکنش با استفاده از استیرر 10 تا 15 برابر افزایش پیدا کرده است. برای مشاهده‌ی مقاله آن اینجا کلیک نمایید.
کاهش ابعاد ذرات: ف‍روری‍زش ذرات و ایجاد برخوردهای شدید در طی آن باعث خرد شدن ذرات پودر موجود در محلول می‌گردد که می تواند خاصیت‌های ماده را دگرگون نماید. مزیت مهم استفاده از سونیکاتور در این فرآیند باریک شدن طیف ابعاد ذرات است. همچنین این کاهش ابعاد در رده‌های مختلف ابعاد می تواند اتفاق بیافتد. کاهش ابعاد آلومیناتری‌هیدرات از 150 به کمتر از 10 میکرون، سرامیک‌ها از 30 به 2 میکرون و سدیم کربنات از 70 به 3 میکرون.
عصاره‌گیری: همان طور که اشاره شد با استفاده از التراسونیک هموژنایزر می توان دیواره سلولی را در دمای اتاق تخریب نمود. این فرآیند باعث استخراج عصاره از گیاهان دارویی با بالاترین کیفیت می‌گردد.
کاهش مصرف کاتالیزور: علت استفاده از کاتالیزورها افزایش سرعت واکنش و همچنین افزایش خروجی آن است. با استفاده از دستگاه التراسونیک هموژنایزر با افزایش سرعت واکنش و همچنین انجام کامل‌تر آن نیاز به استفاده از کاتالیزور کاهش می یابد.
کاربردهای صنعتی:
با توجه به فرآیندهایی که التراسونیک هموژنایزر باعث انجام، تسریع و بهبود آنها می گردد بدیهی است فرآیندهای صنعتی بسیاری را می توان با استفاده از آن راه‌اندازی نمود و توسعه داد در ادامه برخی از این فرآیندها را نام می بریم:
- سولفورزدایی از گازوییل
- همگن سازی آب و روغن‌ها در صنایع غذایی
- همگن سازی آب و روغن‌ها در صنایع آرایشی و بداشتی
- دیسپرس کردن نانو ذرات اکسید روی و اکسید تیتانیوم در صنایع آرایشی و بهداشتی
- دیسپرس کردن پیگمنت در حلال در صنایع رنگ
- کراکینگ نفت
- عصاره‌گیری از انواع گیاهان دارویی
- ساخت واکسن