Ultrasonic Homogenization là một kỹ thuật sử dụng các hiệu ứng vật lý được tạo ra bởi rung động siêu âm tần số cao để xử lý các vật liệu lỏng hoặc bán lỏng. Vai trò cốt lõi của nó là thông qua siêu âm gây ra "hiệu ứng cavitation", "cắt cơ học", "nhiễu loạn" và các hành động khác, phá vỡ các hạt, droplets (giọt) hoặc hợp nhất trong vật liệu, để đạt được sự tinh chỉnh, phân tán, trộn, nhũ tương hoặc phá vỡ tế bào của vật liệu, và cuối cùng đạt được một hệ thống thành phần đồng nhất và ổn định cao.
Nó được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như công nghiệp thực phẩm, y sinh học, khoa học vật liệu, mỹ phẩm và là công nghệ quan trọng để đạt được điều trị đồng nhất hóa vi mô vật liệu.
I. Nguyên tắc làm việc cốt lõi: Làm thế nào để siêu âm đạt được "đồng nhất"?
Động lực cốt lõi của sự đồng nhất siêu âm là hiệu ứng cavitation (Cavitation), phối hợp với cắt cơ học và tác động nhiễu loạn, cùng nhau hoàn thành việc tinh chỉnh và đồng nhất hóa vật liệu, quá trình cụ thể có thể được chia thành ba bước:
Sự hình thành bong bóng cavitation: Máy phát siêu âm tạo ra sóng âm tần số cao 15kHz~1MHz được truyền vào vật liệu thông qua đầu dò (thanh luffing siêu âm). Sự nén và kéo giãn luân phiên của sóng âm tạo ra một số lượng lớn các "bong bóng cavitation" nhỏ (các bong bóng nhỏ chứa đầy khí hoặc hơi nước) trong chất lỏng.
Bong bóng cavitation phát triển và sụp đổ: Khi sóng âm rung động, bong bóng cavitation tiếp tục mở rộng trong giai đoạn kéo dài và sụp đổ nhanh chóng trong giai đoạn nén (tuổi thọ chỉ vài micro giây). Sự sụp đổ ngay lập tức tạo ra các điều kiện vật lý cực đoan cục bộ:
Nhiệt độ cao cục bộ (lên đến 5000K), áp suất cao (lên đến 100MPa);
Microjet mạnh (tốc độ lên đến 100m/s) và sóng xung kích;
Sự hỗn loạn dữ dội và lực cắt.
Đồng nhất hóa vật liệu: Những điều kiện khắc nghiệt này có thể tác động trực tiếp lên các hạt, giọt hoặc tế bào trong vật liệu:
phá vỡ sự kết tụ của các hạt rắn (chẳng hạn như sự phân tán của bột nano trong chất lỏng);
giọt trong chất lỏng rách (chẳng hạn như nhũ tương của pha dầu trong pha nước);
Phá vỡ thành tế bào của tế bào (chẳng hạn như vi khuẩn, tế bào thực vật bị phá vỡ) và cuối cùng cho phép vật liệu tạo thành một hệ thống phân tán đồng nhất của các thành phần.
Hai, ứng dụng chính: siêu âm đồng nhất "có thể làm gì?
Các ứng dụng của siêu âm homogenization bao gồm một số ngành công nghiệp, cốt lõi là để giải quyết "vật liệu không đồng đều" "hạt quá lớn" "phân tán khó khăn" và các vấn đề khác, kịch bản cụ thể như sau:
1. lĩnh vực y sinh học: phá vỡ tế bào và chiết xuất thành phần
Đây là một trong những ứng dụng của siêu âm homogenization cổ điển, chủ yếu được sử dụng để chiết xuất các thành phần hoạt tính từ các tế bào.
Phá vỡ tế bào: Thông qua tác động và lực cắt được tạo ra bởi hiệu ứng cavitation, phá vỡ thành tế bào của vi khuẩn, nấm men, tế bào thực vật (ví dụ như tảo, tế bào y học Trung Quốc), giải phóng các hoạt chất như protein, enzyme, axit nucleic, polysaccharide bên trong tế bào.
Ví dụ: phòng thí nghiệm chiết xuất protein tái tổ hợp từ E. coli, polysaccharide từ bào tử Ganoderma lucidum, chất diệp lục từ tảo.
Chuẩn bị homogenization: Nó được sử dụng để chuẩn bị các vectơ thuốc nano (ví dụ: lipoprosome, hạt nano), làm cho thuốc phân tán đồng đều hơn bằng cách tinh chỉnh các giọt, tăng độ hòa tan và khả dụng sinh học của thuốc.
Ví dụ: chuẩn bị các tác nhân nano của thuốc chống ung thư, giảm kích thước hạt thuốc và tăng cường sự xâm nhập của mô khối u.
2. Ngành công nghiệp thực phẩm và đồ uống: nhũ tương, phân tán và tối ưu hóa chất lượng
Được sử dụng để cải thiện hương vị, sự ổn định và giá trị dinh dưỡng của thực phẩm, tránh các vấn đề như phân tầng, kết tủa.
Xử lý nhũ tương: Trộn các chất lỏng không hòa tan lẫn nhau, chẳng hạn như dầu và nước, thành một chất lỏng nhũ tương ổn định.
Ví dụ: làm tương salad (tương dầu+tương nước nhũ hóa), đồ uống protein thực vật (ví dụ như sữa đậu nành, tránh kết tủa các hạt protein), kem (tỉ mỉ bóng mỡ, nâng cao vị ngon).
Xử lý phân tán: phá vỡ sự kết hợp của vật liệu bột trong chất lỏng để đạt được sự phân tán đồng đều.
Ví dụ: nước sốt sô cô la (tinh chế các hạt bột ca cao để tránh cục), nước trái cây (phân tán các hạt bột giấy, tăng độ đồng đều của hương vị), bổ sung dinh dưỡng (như phân tán chất lỏng của bột protein, probiotic).
Hỗ trợ khử trùng: hiệu ứng cavitation tạo ra nhiệt độ cao và áp suất cao có thể hỗ trợ tiêu diệt một số vi sinh vật (như vi khuẩn, nấm mốc), phối hợp với quá trình khử trùng truyền thống để nâng cao an toàn thực phẩm (không phải là phương tiện khử trùng chính, chủ yếu là hỗ trợ).
3. Lĩnh vực khoa học vật liệu: Chuẩn bị và phân tán vật liệu nano
Được sử dụng để chuẩn bị hoặc xử lý vật liệu nano, giải quyết vấn đề bột nano dễ kết hợp.
Phân tán bột nano: Phân tán các bột nano như ống nano carbon, graphene, titanium dioxide vào nước hoặc dung môi hữu cơ để tạo ra một chất lỏng phân tán ổn định (tránh suy giảm hiệu suất do kết tụ).
Ví dụ: chuẩn bị bùn dẫn điện graphene (phân tán đồng đều để đảm bảo tính dẫn điện), sơn nano (tinh chỉnh các hạt sắc tố, nâng cao độ phẳng của lớp phủ và khả năng chống ăn mòn).
Tổng hợp vật liệu nano: Thông qua các điều kiện khắc nghiệt của hiệu ứng cavitation, các phản ứng hóa học được tạo ra để tạo ra các hạt nano (ví dụ: hạt kim loại nano, chấm lượng tử) và kích thước hạt đồng đều hơn và kích thước hạt được kiểm soát.
4. Lĩnh vực mỹ phẩm và hóa chất hàng ngày: Chuẩn bị nhũ tương và tối ưu hóa kết cấu
Mỹ phẩm trong nhũ tương, kem và như vậy chủ yếu là hệ thống nhũ tương, siêu âm đồng nhất có thể nâng cao sự ổn định của sản phẩm và cảm giác sử dụng.
Chuẩn bị nhũ tương: Pha dầu (ví dụ: dầu khoáng, dầu thực vật) với pha nước (ví dụ: glycerin, nước) được nhũ hóa để tạo thành nhũ tương ổn định, tránh phân tầng.
Ví dụ: Kem mặt (chi tiết các viên dầu, làm cho tính chất tinh tế và dễ hấp thu), kem chống nắm (phân tán các viên thuốc chống nắm, nâng cao hiệu quả chống nắng và cảm giác da).
Phân tán thành phần hoạt tính: phân tán đồng đều vitamin C, niacinamide và các thành phần hoạt tính khác vào cơ sở để đảm bảo tính nhất quán của hiệu quả sản phẩm.
5. Lĩnh vực kỹ thuật môi trường: Xử lý nước thải và phân hủy
Sử dụng hiệu ứng cavitation của siêu âm để làm suy giảm các chất gây ô nhiễm, hoặc bùn tiền xử lý.
Phân hủy các chất gây ô nhiễm hữu cơ: Các gốc hydroxyl tự do (・OH) được tạo ra bởi sự sụp đổ của bong bóng cavitation có tính oxy hóa mạnh và có thể làm suy giảm các chất hữu cơ khó phân hủy trong nước thải (ví dụ: thuốc trừ sâu, thuốc nhuộm, chất gây ô nhiễm dầu mỏ).
Tiền xử lý bùn: Phá vỡ các tế bào vi sinh vật trong bùn, giải phóng độ ẩm bên trong tế bào và giảm độ ẩm của bùn, tạo điều kiện xử lý mất nước tiếp theo.