L'homogénéisation ultrasonique est une technique de traitement de matériaux liquides ou semi - fluides utilisant les effets physiques générés par les vibrations ultrasoniques à haute fréquence. Son rôle central est de briser les particules, les droplets (gouttelettes) ou les agglomérats dans le matériau par des actions telles que "l'effet de cavitation", "le cisaillement mécanique", "la perturbation turbulente" et d'autres initiées par ultrasons, pour réaliser le raffinement, la dispersion, le mélange, l'émulsification ou La fragmentation cellulaire du matériau, et finalement obtenir un système homogène et stable.
Il est largement utilisé dans de nombreux domaines tels que l'industrie alimentaire, la biomédecine, la science des matériaux, les cosmétiques, etc. c'est une technologie clé pour réaliser le traitement d'homogénéisation microscopique des matériaux.
I. principe de fonctionnement de base: comment les ultrasons peuvent - ils atteindre "l'homogénéité"?
La force motrice principale de l'homogénéisation ultrasonique est l'effet de cavitation, qui, en conjonction avec le cisaillement mécanique et l'action turbulente, complète conjointement le raffinement et l'homogénéisation du matériau, le processus spécifique peut être divisé en trois étapes:
Formation de bulles de cavitation: le générateur d'ultrasons produit des ondes sonores à haute fréquence de 15 kHz ~ 1 MHz qui sont introduites dans le matériau par une sonde (barre d'amplitude ultrasonique). L'action alternée de compression et d'étirement des ondes sonores crée un grand nombre de minuscules « bulles de cavitation» (minuscules bulles remplies de gaz ou de vapeur) dans le liquide.
Croissance et effondrement des bulles de cavitation: avec les vibrations soniques, les bulles de cavitation se dilatent pendant la phase d'étirement et s'effondrent rapidement pendant la phase de compression (durée de vie de quelques microsecondes seulement). L'instant d'effondrement crée localement des conditions physiques extrêmes:
Haute température locale (jusqu'à 5000k), haute pression (jusqu'à 100mpa);
Micro - jets intenses (vitesse jusqu'à 100 m / s) et ondes de choc;
Turbulences violentes et forces de cisaillement.
Homogénéisation du matériau: ces conditions extrêmes agissent directement sur les particules, les gouttelettes ou les cellules du matériau:
Briser les agglomérats de particules solides (comme la dispersion de nanopoudres dans un liquide);
Déchirure des gouttelettes dans un liquide (par example émulsification d'une phase huileuse dans une phase aqueuse);
Briser les parois cellulaires des cellules (p. ex., fragmentation des bactéries, des cellules végétales) pour finalement permettre à la matière de former un système dispersé de composition uniforme.
II. Principaux scénarios d'application: homogénéisation ultrasonique "que peut - on faire"?
L'application de l'homogénéisation ultrasonique couvre plusieurs industries, le noyau est de résoudre les problèmes de "matériaux inégaux", "particules surdimensionnées", "difficultés de dispersion", etc., les scénarios spécifiques sont les suivants:
1. Domaine biomédical: fragmentation cellulaire et extraction de composants
C'est l'une des applications classiques de l'homogénéisation par ultrasons, principalement pour l'extraction de principes actifs à partir de cellules.
Fragmentation cellulaire: les forces d'impact et de cisaillement générées par l'effet de cavitation frappent les parois cellulaires des bactéries, des levures, des cellules végétales (par exemple, les algues, les cellules de médecine chinoise) et libèrent des protéines, des enzymes, des acides nucléiques, des polysaccharides et d'autres substances actives à l'intérieur des cellules.
Exemples: extraction en laboratoire de protéines recombinantes dans E. coli, extraction de Polysaccharides de Reishi à partir de spores de Reishi, extraction de chlorophylle à partir d'algues.
Homogénéisation de la formulation: pour la préparation de nanovecteurs pharmaceutiques (p. ex., liposomes, nanoparticules) qui améliorent la solubilité et la biodisponibilité du médicament en affinant les gouttelettes pour une dispersion plus uniforme du médicament.
Exemple: préparation de nanoformulations de médicaments anticancéreux qui réduisent la taille des particules du médicament et améliorent la pénétration des tissus tumoraux.
2. Industrie alimentaire et des boissons: émulsification, dispersion et optimisation de la qualité
Pour améliorer le goût, la stabilité et la valeur nutritive des aliments, éviter les problèmes de stratification, de précipitation, etc.
Traitement émulsifiant: mélange de liquides mutuellement insolubles, tels que l'huile et l'eau, en une émulsion stable.
Exemples: préparation d’une sauce à salade (émulsionnement phase huileuse + phase aqueuse), d’une boisson protéinée végétale (comme le lait de soja pour éviter la précipitation des particules de protéines), d’une crème glacée (pour affiner les globules gras et améliorer le goût délicat).
Traitement de dispersion: briser l'agglomération de la matière en poudre dans le liquide pour obtenir une dispersion uniforme.
Exemples: pâte de chocolat (affine les granulés de poudre de cacao pour éviter les grumeaux), jus de fruits (disperse les granulés de pulpe pour améliorer l’uniformité du goût), suppléments nutritionnels (p. ex. dispersion liquide de protéines en poudre, probiotiques).
Aide à la stérilisation: l'effet de cavitation produit à haute température et à haute pression peut aider à tuer une partie des micro - organismes (par exemple, les bactéries, les moisissures), en conjonction avec le processus de stérilisation traditionnel pour améliorer la sécurité alimentaire (pas le principal moyen de stérilisation, beaucoup d'aide).
3. Domaine de la science des matériaux: préparation et dispersion de nanomatériaux
Pour la préparation ou le traitement de matériaux à l'échelle nanométrique, résolvez le problème de la facilité d'agglomération des nanopoudres.
Dispersion de nanopoudres: les nanopoudres telles que les nanotubes de carbone, le Graphène, le nanodioxyde de titane, etc., sont dispersées dans de l'eau ou un solvant organique pour former une dispersion stable (évitant la dégradation des performances résultant de l'agglomération).
Exemples: préparation de boues conductrices de Graphène (dispersion uniforme pour garantir la conductivité), nanopeintures (affinement des particules pigmentaires, amélioration de la planéité et de la résistance à la corrosion du revêtement).
Synthèse de nanomatériaux: par des conditions extrêmes d'effet de cavitation, une réaction chimique est induite pour produire des nanoparticules (par exemple, des nanoparticules métalliques, des points quantiques) et la taille des particules est plus uniforme et contrôlable.
4. Domaine cosmétique et chimique quotidien: préparation d'émulsion et optimisation de texture
Les lotions, les crèmes et autres dans les cosmétiques sont principalement des systèmes de lotion opaque, l'homogénéisation par ultrasons peut améliorer la stabilité et le sentiment d'utilisation du produit.
Préparation de l'émulsion: l'émulsion d'une phase huileuse (par exemple huile minérale, graisse végétale) avec une phase aqueuse (par exemple glycérine, eau) forme une émulsion stable en évitant la délamination.
Exemples: crème pour le visage (affine les particules d'huile pour rendre la texture plus fine et plus absorbable), crème solaire (disperse les particules de filtre solaire pour améliorer l'effet de protection solaire et la sensation de peau).
Dispersion des ingrédients actifs: dispersez uniformément les ingrédients actifs tels que la vitamine C, la Niacinamide et d'autres dans la base, garantissant la cohérence de l'efficacité du produit.
5. Domaine de l'ingénierie environnementale: traitement des eaux usées et dégradation
Utilisez l'effet de cavitation des ultrasons pour dégrader les polluants ou prétraitez les boues.
Dégradation des polluants organiques: les radicaux hydroxyles (・oh) produits par l'effondrement des bulles de cavitation sont fortement oxydants et peuvent dégrader les matières organiques difficiles à dégrader (p. ex., pesticides, colorants, polluants pétroliers) dans les eaux usées.
Prétraitement des boues: broyage des cellules microbiennes dans les boues pour libérer l'humidité intracellulaire, réduire la teneur en eau des boues et faciliter le traitement ultérieur de la déshydratation.