功率—超声波
功率超声波运用

功率超声-超声波提取萃取

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作者:张家港睿能科技有限公司来源:张家港睿能科技有限公司网址:http://www.sonicindustry.net
文章附图

  超声波中药提取分离技术中的应用进行了综述; 超声波具有许多独特效应, 如空化效应、机械效应、热效应以及超声空化过程中气泡的剧烈变化,所产生的附加湍动效应、界面效应、聚能效应等,因此能够提高传质系数, 强化分离过程。
超声波的传播形式:

   超声波和声波一样,是一种机械波, 由介质中的质点受到外力的作用而发生周期性振动产生的。超声波在介质中传播的波形取决于介质可以承受何种作用力以及如何对介质激发超声波。通常有如下三种:纵波波型、横波波型、表面波波型。

   纵波波型:当介质中质点振动方向与超声波的传播方向一致时,此超声波为纵波波型。任何固体介质当其体积发生交替变化时均能产生纵波。

   横波波型:当介质中质点的振动方向与超声波的传播方向相垂直时,此种超声波为横波波型。由于固体介质除了能承受体积变形外,还能承受切变变形,因此,当其有剪切力交替作用于固体介质时均能产生横波。横波只能在固体介质中传播。  表面波波型:沿着固体表面传播的具有纵波和横波的双重性质的波称表面波。表面波可以看成是由平行于表面的纵波和垂直于表面的横波合成, 振动质点的轨迹为一椭圆,在距表面1/4波长深处振幅最强,随着深度的增加很快衰减,实际上离表面一个波长以上的地方,质点振动的振幅已经很微弱了。

   由于频率高、波长短,故超声波具有许多一般声波所没有的特性。

   ①能流密度大:由于能流密度与频率的平方成正比,故超声波的能流密度比一般声波大得多。

   ②方向性好:由于超声波的波长短,衍射效应不显著,所以可以近似地认为超声波沿直线传播,即传播的方向性好,容易得到定向而集中的超声波束,也可以被聚焦。超声波的这一特性,称为束射特性。

   ③穿透力强:超声波的穿透本领大,特别在液体和固体中传播时,衰减很小;在不透明的固体中,也能穿透几十米的厚度。

超声空化的物理过程及其基本效应:

     超声空化是强超声在液体中的传播时,引起的一种特有的物理现象。所谓空化(cavitation)是指液体中由于某种原因产生了负压,当负压达到一定的临界值时,能将液体拉断,从而在液体中形成局部气体或蒸汽空腔的现象。这种能将液体拉断的临界负压值称为空化阈(cavitation threshold)。

    对于纯净液体(不含气体或杂质颗粒等),空化阈必须能够克服分子间的内聚力,以水为例,按热力学统计物理计算,在常温下空化阈应超过-100Pa。然而,实验证明,几乎所有实际液体的空化阈,包括经过除气、过滤、去离子等专门处理过的液体,均远远低于此理论值。比如来自江河湖海的水等,其实实际空化阈仅为-1MPa左右,即使出去气的水也只有-30Pa。

   理论和实验均已证明,这是由于实际气体中总是存在许多微笑气泡构成液体的“薄弱环节”,因而在相当低的负压下,即可在这些地方将液体拉断而产生空化。这种微小气泡称之为“空化核”( cavitation nucle)。常见的空化核可以使液体中半径小于0.1mm的气泡或蒸汽泡(半径大于0.1mm的气泡会因浮力升至液面而破灭)。也可以是固态粒子(包括动植物药材或其粉料)裂缝或表面附着的微小气泡等。

超声空化的物理过程

   下面分析超声波的物理过程。超声波在液体中时一纵波的方式传播的。其交变声压在液体中周期性地产生拉伸和压缩。对较弱的超声,在声压的负压阶段,气泡(空化核)被拉大,而在正压阶段,气泡又被压缩变小。也就是说气泡的大小随声波的频率而作脉动变化。此过程称为“稳态空化”(steady cavitation)。而对足够强的超声,声压的幅值超过了空化阈时,气泡现在声压的负压阶段迅速膨

超声空化的分类

   根据空化泡的动力学行为和对超声的响应强度,将超声空化分为稳态空化和瞬态空化。  稳态空化:超声波在液体中是以纵波的形式传播的,其交变声压在液体中周期性地产生拉伸和压缩。对较弱的超声,在声压的负压阶段,气泡(空化核)被拉大,而在正压阶段,气泡又被压缩变小。也就是说气泡的大小随声波的频率而作脉动变化。此过程称为“稳态空化”(steady cavitation)。  一般在声强小于1W/cm2时才会产生稳态空化。空化气泡寿命一般持续几个声波周期。在声场中振动的气泡,由于膨胀相气泡的表面积比压缩相的表面积大,使膨胀时扩散到气泡内的气体比压缩时扩散到气泡外的多,而使气泡在振动过程中增大。当达到共振半径后会使气泡由稳态转为瞬态空化,继而发生崩溃。如图示

     瞬态空化:是气泡压缩崩溃的过程,一般在声强大于1W/cm2时才会产生,空化泡寿命一般在一个声波周期内。在声场振动的气泡,当声场足够高,声压为负半周时,液体受到大的拉力,气泡迅速胀大(可达原来的数倍),继而在声压的正半周时,气泡受到压缩突然崩溃而裂解成许多小气泡,已构成新的空化核。  在气泡迅速收缩时,泡内的气体或蒸汽倍压缩,而在空化泡崩溃的瞬间泡内将产生5000K的高温,局部产生约500atm的高压,温度变化率高达109K/s,并产生强烈的冲击波,及时速高达400Km/h的射流,发光现象,也可听到小的爆破声。由于超声空化过程中气泡的剧烈变化而产生的附加效应划分为湍动效应、界面效应和聚能效应。超声空化产生的冲击波引起体系的宏观湍动和固体颗粒的高速冲撞,使边界变薄,增大传质速率,称之为“湍动效应”;超声空化产生的微射流对固体表面的剥离作用创造了新的活性表面,增大了传质面积,称为“界面效应”;超声空化的能量聚结产生局部的高温高压可使分离物质分子与固体表面分子键断裂而活化,实现传质,称为“聚 能效应”。

      伴随着超声空化还产生了机械效应、热效应等不同的声能与物质相互作用的形式。  超声波在液体中传播过程中,超声的高频振动及辐射压力可在气、液体中形成有效的搅动与流动,可使媒介质点在其传播空间内进入振动状态强化细胞内物质的释放、扩散及溶解;空化泡的振动对固体表面产生强烈射流及局部微冲流均能显著减弱液体表面张力及摩擦力,并破坏固-液界面的附面层,因而达到普通低频机械搅动达不到的效果。从而强化介质的扩散、传质,称之为“机械效应” 。

    超声波在传播过程中,机械能不断被介质所吸收,并全部或大部分转化成热能,导致介质本身和药材组织温度升高,促使有效成分的溶解,这就是超声波的热效应。

    由此看出,不管各种效应如何,都是超声在液-固传质过程中空化作用产生后才产生的,没有空化就没有其他效应的出现。所以空化效应是液-固提取过程中超声与物质作用的主要作用。空化效应涵盖了上述效应中的绝大部分,且在各种效应中的作用最为明显。空化效应中的微射流可以在液体内部或液一固界面而形成强烈的冲击作用,这种作用不仅能使传质作用大大加强,甚至能对固体的表面产生粉碎的效应.因此,超声波的空化效应对液--液萃取、液--固提取等化工分离工艺都有加强的效应,这也正是超声可应用于中药提取中的原因。

超声波萃取的特点

  适用于中药材有效成份的萃取,是中药制药彻底改变传统的水煮醇沉萃取方法的新方法、新工艺。与水煮、醇沉工艺相比,超声波萃取具有如下突出特点:

 (1)无需高温。在40℃-50℃水温F超声波强化萃取,无水煮高温,不破坏中药材中某些具有热不稳定,易水解或氧化特性的药效成份。超声波能促使植物细胞地破壁,提高中药的疗效。

 (2)常压萃取,安全性好,操作简单易行,维护保养方便。

 (3)萃取效率高。超声波强化萃取20~40分钟即可获最佳提取率,萃取时间仅为水煮、醇沉法的三分之一或更少。萃取充分,萃取量是传统方法的二倍以上。据统计,超声波在65~70℃工作效率非常高。而温度在65℃度内中草药植物的有效成份基本没有受到破坏。加入超声波后(在65度条件下),植物有效成份提取时间约40分钟。而蒸煮法的蒸煮时 间往往需要两到三小时,是超声波提取时间的3倍以上时间。

 (4)具有广谱性。适用性广,绝大多数的中药材各类成份均可超声萃取。

 (5)超声波萃取对溶剂和目标萃取物的性质(如极性)关系不大。因此,可供选择的萃取溶剂种类多、目标萃取物范围广泛。

 (6)减少能耗。由于超声波萃取无需加热或加热温度低,萃取时间短,因此大大降低能耗。  

 (7)药材原料处理量大,成倍或数倍提高,且杂质少,有效成分易于分离、净化。

(8)萃取工艺成本低,综合经济效益显著 。