A homogeneização ultrasônica é uma técnica que utiliza os efeitos físicos da vibração ultrasônica de alta frequência para processar materiais líquidos ou semilíquidos. Seu papel central é "efeito de cavitação", "corte mecânico", "turbulência" e outros efeitos desencadeados por ultra-som, quebrando partículas, gotas (gotas) ou aglomerados no material, alcançando a refinação, dispersão, mistura, emulsão ou quebra celular do material e, finalmente, obter um sistema de alta estabilidade e homogeneidade.
É amplamente utilizado na indústria alimentar, biomédica, ciência de materiais, cosméticos e outras áreas, e é a tecnologia chave para alcançar o tratamento microuniforme de materiais.
Princípio de funcionamento básico: como ultra-som alcança a "homogeneidade"?
A força motriz principal da homogeneidade ultrasônica é o efeito de cavitação (cavitação), em combinação com o corte mecânico e o efeito turbulento, para concluir a refinação e a uniformização do material, o processo específico pode ser dividido em três etapas:
Formação de bolhas vazias: o gerador de ultra-som gera ondas sonoras de alta frequência de 15kHz ~ 1MHz, entrando no material através da sonda (variável de ultra-som). A compressão alternada e o alongamento das ondas sonoras formam uma grande quantidade de pequenas "bolhas de cavidade" (pequenas bolhas cheias de gás ou vapor) no líquido.
Crescimento e colapso de bolhas vazias: À medida que as ondas sonoras vibram, as bolhas vazias continuam a se expandir durante a fase de estiramento e colapsam rapidamente durante a fase de compressão (duração de vida de apenas alguns microsegundos). O momento do colapso pode gerar condições físicas extremas em parte:
Alta temperatura local (até 5000K), alta pressão (até 100MPa);
Microrreis fortes (até 100 m/s) e ondas de choque;
Turbulência intensa e força de corte.
Homogenização do material: essas condições extremas afetam diretamente as partículas, gotas ou células no material:
quebrar agrupamentos de partículas sólidas (por exemplo, dispersão de nanopó em líquidos);
Rasgar gotas no líquido (por exemplo, emulsão na fase de óleo na fase de água);
Quebrar a parede celular da célula (por exemplo, a fragmentação de bactérias e células vegetais), eventualmente fazendo com que o material forme um sistema de dispersão uniforme.
Principais cenários de aplicação: homogeneidade de ultra-som "o que pode fazer"?
A aplicação de homogeneização de ultra-som cobre várias indústrias, o núcleo é resolver problemas como "desigualdade de materiais", "partículas grandes demais", "dificuldades de dispersão", cenários específicos são os seguintes:
Biomedicina: Fragmentação celular e extração de ingredientes
Esta é uma das aplicações clássicas da homogeneização por ultra-som, usada principalmente para extrair ingredientes ativos das células.
Fragmentação celular: através do impacto e da força de corte gerada pelo efeito de cavitação, quebra a parede celular de bactérias, leveduras, células vegetais (como algas, células medicinais chinesas), liberando proteínas, enzimas, ácidos nucleicos, poliaçúcares e outras substâncias ativas dentro da célula.
Exemplos: extração de proteínas recombinantes de E. coli em laboratório, extração de polisacários de Linchi de esporos de Linchi e extração de clorofila de algas.
Homogenização da preparação: é usada para preparar veículos nanofarmacêuticos (por exemplo, liposomas, nanopartículas) para tornar a dispersão da droga mais uniforme através da refinação de gotas, melhorando a solubilidade e biodisponibilidade da droga.
Exemplo: Preparação de nanoagentes de medicamentos anticancerígenos que reduzem o tamanho das partículas da droga e aumentam a penetração do tecido tumoral.
Indústria de alimentos e bebidas: emulsão, dispersão e otimização de qualidade
Utilizado para melhorar o sabor, a estabilidade e o valor nutricional dos alimentos, evitando problemas como estratificação e precipitação.
Emulsão: mistura de líquidos insolúveis (como óleo e água) em um líquido turbulento estável.
Exemplos: fazer molho de salada (emulsão de óleo + água), bebidas proteicas vegetais (como leite de soja, para evitar a precipitação de partículas proteicas), sorvete (refinar as bolas de gordura para melhorar o sabor delicado).
Tratamento de dispersão: quebrar a reunião do material em pó no líquido para alcançar a dispersão uniforme.
Exemplos: molho de chocolate (refinar as partículas de cacau em pó para evitar os aglomerados), suco de fruta (dispersar as partículas de fruta para melhorar a uniformidade do sabor), suplementos nutricionais (por exemplo, pó de proteína, dispersão líquida de probióticos).
Auxiliar a bactericida: a alta temperatura e a alta pressão resultantes do efeito de cavitação podem ajudar a matar alguns micróbios (por exemplo, bactérias, mofo) e melhorar a segurança alimentar em combinação com o processo de bactericida tradicional (meios de bactericida não primários, principalmente auxiliares).
Ciência dos materiais: Preparação e dispersão de nanomateriais
Utilizado para preparar ou processar materiais de nanoescala para resolver o problema da fácil reunião do corpo de nanopó.
Dispersão de nanopó: Dispersão de nanopó como nanotubos de carbono, grafeno e nanodióxido de titânio em água ou solventes orgânicos para formar uma dispersão estável (para evitar a redução do desempenho causada pela reunião).
Exemplos: preparação de pasta condutora de grafeno (dispersão uniforme para garantir a condutividade elétrica), nano-revestimento (refinar as partículas de pigmento, melhorar a uniformidade do revestimento e a resistência à corrosão).
Síntese de nanomateriais: através de condições extremas do efeito de cavitação, a reação química induz a geração de nanopartículas (como nanopartículas metálicas, pontos quânticos), com tamanho de partícula mais uniforme e tamanho de partícula controlável.
Cosméticos e Química Diária: Preparação de loções e otimização da textura
A maioria das loções, cremes e outros produtos cosméticos são sistemas líquidos turbulentos, e a homogeneização ultrasônica pode melhorar a estabilidade e a sensação de uso do produto.
Preparação da loção: a fase oleosa (por exemplo, óleo mineral, gordura vegetal) e a fase aquática (por exemplo, glicerina, água) são emulsionadas para formar uma loção estável, evitando estratificação.
Exemplos: creme (refina as partículas de óleo para tornar a textura mais delicada e fácil de absorver), protetor solar (dispersa as partículas de protetor solar para melhorar o efeito solar e a sensação da pele).
Dispersião de ingredientes ativos: dispersão uniforme de ingredientes ativos como vitamina C, nicotinamida e outros na substância para garantir a consistência da eficácia do produto.
Engenharia Ambiental: Tratamento e Degradação de Águas Residuales
Utilize o efeito de cavitação do ultra-som para degradar poluentes ou pré-tratar lodos.
Degradação de poluentes orgânicos: os radicais hidroxilos livres (OH) produzidos pelo colapso de bolhas vazias são fortemente oxidantes e podem degradar materiais orgânicos difíceis de degradar em águas residuais (por exemplo, pesticidas, corantes, poluentes petrolíferos).
Pré-tratamento do lodo: quebrar as células microbianas no lodo, liberar a umidade intracelular, reduzir o teor de umidade do lodo para facilitar o tratamento posterior da desidratação.