Lrincz Attila Az aktív ultrahang alkalmazása napjainkban

L rincz Attila Az aktív ultrahang alkalmazása napjainkban 1. Bevezetés A hangról általában mindenki tudja, hogy rugalmas közegben terjed mechanikai hullám, de az ultrahanggal kapcsolatban hazai interdiszciplináris konferencián még ma is felmerül olyan kérdés, hogy ha rákiabálunk egy sejtre, az attól valóban képes megváltoztatni az aktivitását? A meglep

válasz az, hogy igen! Ez pontosan így történhet abban az esetben, ha elég

hangosak vagyunk. Azonban egy ágyú elsütésekor az ágyúcs nyílása mellett közvetlenül 0,001 W/cm2 hangenergia mérhet , ugyanakkor mi pedig általában 10W/cm2, vagy e feletti teljesítményekkel dolgozunk az anyagban, 1 MHz körüli frekvenciatartományokban. Ez tehát akkora intenzitás, mintha a fülünk mellett közvetlenül egyszerre 10 000 ágyút sütnének el. Így már könnyebb elképzelni, hogy ez biológiailag, illetve fizikailag mennyire hatékony lehet. Ez az iszonyatosan nagy hangenergia "b vös" dolgokra képes. Különböz

akusztikai

jelenségek alakulhatnak ki általa az anyagban, melyek egy részét ma már jól ismerjük, természetesnek tartjuk és alkalmazzuk, míg mások napjainkban kerülnek a tudomány homlokterébe. Néhány ilyen ismert akusztikai jelenség a kavitáció, az akusztikai áramlás, az állóhullám, a szök kút-jelenség, az atomizáció, a szonolumineszcencia és a h hatás. Gyakran azt tapasztalom, hogy az ultrahang közvetlen alkalmazói nem tudják, hogy micsoda szenzációs eszköz van kezükben, céljaik megvalósítására, illetve a tudományos látókörük további kiszélesítésére. Sajnos nagyon sokszor az is el fordul, f leg ahol egy folyamat részeként használják az ultrahangot, tehát ahol természetesen nem a célja, hanem az eszköze egy technológiai sornak vagy egy kutatásnak (sejtanyagcsere-termékek kinyerésénél preparatív munka el készítésekor, vagy az analitikai eluensek gáztalanításánál), hogy hatékonyságbeli

problémákat

okoz

a

szakszer tlen

alkalmazás,

melyet

egyszer

szakfogásokkal és "trükkökkel" orvosolni lehet. Az elkövetkezend kben ezeket a trükköket, szakfogásokat tárgyalom, az ultrahang konvencionális és a legmodernebb felhasználási lehet ségeinek tükrében, remélhet leg mindenki számára izgalmas példákkal, saját kutatási tapasztalataim alapján.

2. Ultrahang-fizikai alapok 2.1. Hullámtan Az ultrahang 16 kHz frekvencia feletti mechanikai hullámokat jelent. Természetesen ez a frekvenciatartomány már az emberi fül számára általában már hallhatatlan, de nem úgy a kutyák, vagy például a denevérek számára, melyek a 30-50 kHz-es frekvenciatartományt is kiválóan érzékelik. Az ultrahangot aktív és passzív tartományra oszthatjuk, vagyis megállapodás szerint az 1 W/cm2 vagyis a 10 000 W/m2 teljesítmény alatt passzív, míg felette aktív ultrahangról beszélünk. A passzív ultrahangot leginkább az anyagtulajdonságok vizsgálatára, míg az aktív ultrahangot az anyag tulajdonságainak a megváltoztatására alkalmazzuk. Az aktív ultrahang anyagtulajdonság-befolyásoló képessége az anyagban kialakuló hullám- és akusztikai jelenségekkel függ össze. Folyadékokban és gázokban longitudinális hullámok, míg szilárd anyagokban emellett többek között a transzverzális és a tágulási hullámok is jellemz ek, melyekre többek között egy adott szilárd anyagban eltér

hangsebességek

jellemz ek. Longitudinális hullám esetén a hullámmozgást végz közeg s r södései (C) és ritkulásai (R) a hullám terjedésének irányában vannak (1. ábra).

1. Longitudinális hullám (C, s r södések, R, ritkulások)

ábra:

Mivel a legtöbb aktív ultrahang-alkalmazást (kivéve például az ultrahanghegesztés és forrasztás) a folyadékokra és a folyadékszer anyagokra alkalmazzuk, ezért e tanulmányban a folyadékközegekre jellemz

hullám- és akusztikai jelenségekkel és azok alkalmazásával

foglalkozom. A longitudinális hullámoknál, amennyiben egy szinusz-hullámra gondolunk (2. ábra), úgy rögtön szemünk el tt lebeg, hogy egy hullámon belül van egy fel- és egy lefelé irányuló ív, ami együttesen egy hullámhossz ( ) nagyságú, amely az adott anyagra jellemz hangterjedés sebességének (c) és az alkalmazott frekvenciának (f) a hányadosa, vagyis =c/f.

2.

ábra:

Szinuszhullám

A szinuszhullámban az ívek vízszintes középtengelyt l számított magassága és mélysége az amplitúdó. A hullámhossz többek között abban is alapvet szerepet játszik, hogy mennyire irányítható a hangsugár. A téma jelent ségére történelmi példát idézek. Horthy Miklós korai "csillagháborús" törekvései a múlt században, jellegükb l fakadóan, természetesen érintették az ultrahangot is, mint az akkori egyik legtöbbet ígér provizórikus technikát. Ez a lendület Békésy György, 1961-ben orvosi Nobel-díjat kapott professzor magyarázatára szerencsére alábbhagyott, miszerint az ultrahangot fegyverként alkalmazni célszer en valamely távoli objektum irányított elpusztítása céljából lehetetlen, mivel kizárólag a magas frekvencián irányítható jól a hang, illetve az a hullámhossz csökkenésével (frekvencia növekedésével) egyenes arányban növekv mértékben adszorbeálódik a leveg ben, illetve bármely közegben. Az el z példával tehát azt próbáltam érzékeltetni, hogy milyen fontos összefüggésben van a hullámhossz, a frekvencia és a kezelt anyag min sége.

Magától értet d módon azonos anyagban kisebb távokon a hangok elnyel dése, abszorpciója kisebb mérték , tehát az irányított, linearizált hangsugárral nagyon komoly tevékenységeket lehet folytatni. Szép példa erre mentorom, Greguss Pál Professzor tevékenysége, aki az akusztikus holográfia nemzetközileg elismert megalkotója és az 1971-ben (a holográfia linearizált fény, vagyis a lézer segítségével történ

megvalósításáért) fizikai Nobel-díjat

kapott Gábor Dénes pálya- és versenytársa, illetve a PAL (Panoramic Annular Lens) optika feltalálója volt. Hasonló jelenség érhet el tehát mechanikai, vagyis hanghullámokkal, mint elektromágneses hullámokkal, vagyis el állítható hologram ultrahang segítségével is, nem csak lézerrel. Az irányított, linearizált hangsugár alkalmazására további szinte sci-fi regényekbe ill példa a már hazánkban is nagy sikerrel alkalmazott, az egészségbiztosítási pénztár által 2004. január 1-jét l támogatott MR-re (Mágneses Magrezonancia) alapozott vágás nélküli ultrahangsebészeti eljárás, hangsugarak segítségével, ahol ambuláns módon, nem kísérletileg, hanem alkalmazott eljárásként történik a daganatok eltávolítása. Más szóval az operáció egyetlen vágás nélkül elvégezhet úgy, hogy a beavatkozás után rögtön távozhat a beteg, és a m tét nem befolyásolja negatívan a páciens életmin ségét és munkaképességét. Magyarországon alkalmazott, nem kísérleti jelleg eljárásról van szó! Világszinten a fókuszált ultrahangos sebészeti eljárást egyre gyakrabban alkalmazzák - igaz ma még kísérletileg - a koponya felnyitása nélküli agydaganat eltávolítására is. A technológia jelenleg a 0,1mm pontossági határon tart, amely már az emberi kéz pozicionálási képességén is túlmutat.

2.1.1. A hangsugár elváltozásai a hangtérben A longitudinális hanghullám akusztikai határfelülethez érve, vagyis a hangvezet közegt l eltér

akusztikai keménység

közegnél reflektálódik, elhajlik, törik, illetve bizonyos

esetekben szóródik (3/A és 3/B ábrák). A hangszóródás tehát ott jelentkezik, ahol a hullámok rugalmas közegbe ágyazott idegen testhez, akadályhoz érnek. A reflexiós és az átbocsátási fok meghatározására általában a következ

[1-3.] képletet alkalmazzuk Tarnóczy (1963) szerint, a folyadékba merül ,

folyadéktól eltér akusztikai keménység lemezre, illetve idegen testre vonatkozóan:

Ahol (R) a visszaver dési fok, (z) az akusztikai keménység, (q) a két közeg akusztikai keménységének hányadosa, (d) a lemez (test) vastagsága, ( ) a lemezben (testben) kialakuló hullámhossz, ( ) a térfogattömeg, (c) a hangsebesség adott közegben. Az [1]. képlet lényege, hogy

akusztikai keménység

közegbe

akusztikai

keménység (d) vastagságú lemez, illetve test merül. Ekkor a lemezre mer legesen bees hangrezgések visszaver dési foka: (R). Ebb l az átvezetési fok: S=1-R. A hullámok viselkedésének megértéséhez alapvet

szempont az akusztikai keménység

figyelembe vétele. A 3. A. ábrán megfigyelhet , hogy az eredeti hangvezet közegbe ágyazott eltér

akusztikai keménység

térelemen lév

résen a longitudinális hullámok elhajlanak,

illetve a hullámhosszhoz viszonyítva megfelel en kis rés esetében gömbhullámok alakulnak ki. A 3. B. ábrán megfigyelhet , hogy az akusztikailag lágyabb közeg fel l történ

hullám

belépéskor (például leveg b l vízbe lépéskor) a hullámok törnek és reflektálódnak, illetve egy bizonyos belépési szög alatt az összes bees hullám reflektálódik, és semmi nem lép be a folyadékba. Az akusztikai keménység (z) tehát a közeg s r ségének ( ) és hangvezetési sebességnek (c) a szorzata, vagyis

. Könny szerrel belátható, hogy amennyiben egy

vízben terjed longitudinális hanghullám például gáznem közeg határához ér, akkor a közel négy nagyságrendnyi akusztikai keménység különbség miatt majdnem 100 százalékosan visszaver dik onnan.

!

2.1.2. Az álló- és a haladó hullámok kialakulásának fizikai alapjai A hullámok találkozásánál a visszaver dés miatt interferencia lép fel, mely a hullámpontok helyi és pillanatnyi értékeinek el jel és nagyság szerinti összegz dése, amelyekb l egy ered hullám alakul ki a találkozó hullámok szuperpozíciójaként. Akkor alakul ki állóhullám, ha két azonos típusú, frekvenciájú és amplitúdójú, de ellentétes irányú hullám találkozik, tehát az állóhullám interferenciajelenség. Nagyon fontos, hogy az állóhullám olyan hullám, melynek mentén a csomópontok és duzzadó helyek térbeli elhelyezkedése nem változik (4. ábra). 4. ábra: Állóhullámséma

Érdekes az a tény, hogy amennyiben folyadékfelületr l történik a hullám visszaver dése, akkor a sebességi csomópontokban (a hullám maximális sebességi pontjai), amikor szilárd felületr l történik a reflexió, akkor a nyomási csomópontokban (a hullám maximális nyomási pontjai) történik meg a maximális akusztikai nyomás amplitúdójú visszaver dés. Minden más hullámpont általi reflexiósfelület-érintés a bees

hullámhoz képest gyengített visszavert

hullámot eredményez. Persze ellenkez esetben, ha a folyadékfelületr l a nyomási és a szilárd felületr l a sebességi csomópontban történik határfelület érintése, akkor kioltásról beszélünk, tehát nincs visszaver dés és nincs állóhullám sem. Ehhez a gyengítési hatáshoz járulhat még hozzá a közegek közötti eltér akusztikai keménységének értéke, valamint a beesési szög, amelyek alapján d l el, hogy az eredeti hullám energiájának mekkora része hatol be egy anyagba. Hogy a reflexiós felületet érint hullámpont jelent ségét érzékeltetni tudjam, nézzünk meg egy szinuszhullámot, mely vízben halad és 1 MHz frekvenciájú. Ennek a hullámnak a hullámhossza =c/f összefüggés szerint

=1482 (m/s) / 1 000 000 (1/s)=1,48 mm. Ez azt

jelenti, hogy 1,48 mm-en belül 2 helyen, vagyis 0,74 mm-en d l el, hogy maximális reflexiós hatást kapok-e és fel tud-e épülni az állóhullám, vagy kioltást eredményez a reflexió, tehát 0,74 mm-en belül alakul ki a "mindent vagy semmit" hatás. Az állóhullám tehát általában úgy keletkezik, hogy egy haladó hullám valamilyen akadályon, például a leveg határfelületén visszaver dik, és az eredeti, valamint a visszavert hullám interferál. Ha egy irányba halad a hullám, akkor haladó hullámról van szó. Ebben az esetben a longitudinális hullámot a legegyszer bben a 2. ábrán ábrázolt szinuszhullámok hosszú soraként képzeljük el a térben, melyek amplitúdója, azaz az íveik magassága és mélysége a sugárzótól távolodva egyre kisebb, vagyis a hangintenzitás így csökken az adszorpció miatt. (Természetesen más hullámformák is elképzelhet ek, így négyszög, háromszög stb.) A Huygens-elv kimondja, hogy a közeg minden egyes pontja az odaérkez hullám hatására pontszer

gömbi hullámforrássá változik, azaz a hullámfront minden pontja újabb

hullámforrás, amelyb l további hullámok indulnak ki. A hullámhosszhoz viszonyított nagyon kicsi részecskék képesek együtt mozogni a térrel, illetve arról gömbhullámok terjednek tova, amelyek a vezet részét elvonják, adszorbeálják, szétszórják, diszpergálják a térben.

hullámok energiájának egy

2.1.3. Near field - far field Az ultrahangtérben a hangnyalábot feloszthatjuk hektikus energiaeloszlású közeltérre (nearfield), illetve egyenletesebb energia eloszlású távoltérre (far-field) (5. ábra). 5. ábra: A közel- és távoltér elhelyezkedése a sugárzás irányában

A közel- és távoltér határa kör alakú rezonátorra Nkör=d2*f/4*c, amely képletben a (d) a rezg átmér je, az (f) a frekvencia, a (c) pedig a hangsebesség. A hangtér tehát a tér minden olyan pontja, ahol a hanghullámokra jellemz váltakozó nyomás lép fel. A közel- és távolteret a tudomány és az alkalmazott technika eltér en ítéli meg. Abban az esetben, ha kavitációs technikát alkalmazunk (tisztítás, sejtroncsolás stb.), teljesen mindegy, hogy mely zónában dolgozunk, mivel az amplitúdót a kavitációs szint fölé emelve drasztikus hatás érvényesül a hangtér minden egyes pontján. Azonban irányított vagy finom kísérleteket és technikákat általában ajánlott a távoltérben végezni, mivel itt az el z ekben is említett módon sokkal kiszámíthatóbb, tervezhet bb az akusztikai energia eloszlása. Az 5. ábrán megfigyelhet ek az úgynevezett gyengítési interferenciazónák, melyek a közeltérben lév hidegebb színnel jelölt területek, és ami miatt hektikusabb a közeltér energiaeloszlása. Ezek a területek a sugárzás

jellegéb l fakadóan alakulnak ki, kiküszöbölésükre vagy fázisgy r s koncentrátorokat, vagy a kés bbiekben említett kompozitkerámiákat alkalmazhatjuk.

2.1.4. Levitáció Az el z ekben tehát tisztáztuk az álló és a haladó hullámok fogalmát, illetve azt, hogy az akusztikai állóhullámtérben a hullámhosszhoz viszonyított kis méret részecskék képesek a hanghullámmal együtt mozogni, azaz akár folyadékban, akár gáznem közegekben képes kialakulni a levitáció, vagyis a tárgyak, fizikai objektumok lebegése (6. ábra). 6. ábra: Az állóhullám részecskekoncentrációs hatása

A 6. ábra azt mutatja, hogy az akusztikai állóhullámtérben a hullámhossznál kisebb részecskék hogyan rendez dnek el az állóhullám id beli jelenlétének el rehaladtával. Abban az esetben, ha a viv közegnél nagyobb s r ség szemcséket diszpergálunk a térben, akkor a nyomási, ellenkez esetben a sebességi csomósíkokba rendez dnek. E jelenséget el ször Kundt mutatta be látványosan a "Kundt-cs " segítségével a XIX. század végén. E zseniális fizikai jelenségre napjainkban egyre-másra születnek a futurisztikus alkalmazások, amelyekr l elöljáróban talán elég annyit elmondani, hogy jelenleg a NASA-nak ez az egyik legkomolyabban támogatott programja. Ezáltal a földön kialakítható az anti- vagy mikrogravitációs tér, vagyis kvázi rkörülményeket teremthetünk itt a földön (7. ábra), amivel rengeteg pénzt és kockázatot spórolnak a költséges levitátor sémát mutat.

rkísérleteken. A 8. ábra akusztikai

7. ábra: Akusztikai levitáció (A: lebeg habpamacsok - SAAL technika; B: lebeg olvadt fém - TAAL technika; C: lebeg folyadékcseppek - SAAL technika)

(A)

(B)

(C)

8. ábra: Akusztikai levitátor sémája

A SAAL technika az egy akusztikai tengelyre (Single Axis Acoustical Levitator), a TAAL technika pedig a három akusztikai tengely (Three Axis Acoustical Levitator) eljárásra utal. Természetesen az alkalmazások közt az dönt, hogy milyen fajsúlyú, milyen min ség , mekkora mennyiség minta lebegtetését akarjuk megoldani. A 7. B. ábra éppen lebegtetett fémszemcsét mutat be, melyet lézer segítségével megolvasztanak, és ezután vagy spektrometriai, vagy egyéb típusú analitikai vizsgálatokat tudnak elvégezni azon. A SAAL technikák érthet okokból, az alacsonyabb akusztikai nyomás amplitúdó (kisebb akusztikai térintenzitás) miatt inkább a kisebb fajsúlyú szemcsék, lapkák, pászmák cseppek lebegtetésére alkalmasak. A másik ok az egy-, illetve a háromtengely alkalmazásra a lebeg csepp alakja. Mivel ha elképzelünk egy álló szinuszhullámot (4. ábra., 6., ábra), akkor könny belátni, hogy egy tengely esetén a csepp formája diszkosz, kett esetén szivar, három esetén viszont gömb formájúra módosul. Persze egy tengely esetén is vannak alkalmazási módok a kvázi gömb

alakú lebeg

objektum kialakítására, azonban a TAAL technika kiszélesíti a vizsgálható

objektumok skáláját. Magától értet d módon ennél az alkalmazásnál els sorban nem arról van szó, hogy egy embert vagy egy rhajót akarnak lebegtetni a földfelszín felett, aki a rakétában kísérletezik, hanem azokat a fizikai, kémiai és biológiai kísérleteket szeretnék a földön olcsóbban elvégezni, melyekb l, ha eddig összejött 20-30 darab, akkor azért már fell ttek egy rhajót. Soha nem látott lehet ségek adódtak ezzel a kristályosítás, szövettenyésztés, sejtanyagcseretermékek kialakítása, új biokémiai reakcióutak, sejt- és telepmorfológiai formák és rengeteg egyéb, például fémanalitikai alkalmazásokra. Ismét csak emlékeztetni szeretnék minden kedves olvasót, hogy ne felejtsük el, hogy ez egy vadonatúj, általunk is alkalmazható technika. Ha sikerült e hazánkban és világszerte még teljes mértékben kiaknázatlan technológia iránt érdekl dést indukálnom, úgy keressék a kontaktust a szükséges technikai feltételek kialakításáért, mivel sorozatgyártású levitátor még 2003 els

félévéig nem jelent meg a

piacon, az eltér tudományos igények miatt.

2.2. Nemlineáris akusztikai jelenségek, akusztikai áramlás Fontos megemlíteni az akusztikai áramlást, mely a folyadék nemlineáris viselkedése következtében alakul ki, mivel a folyadék kevésbé összenyomható, mint amennyire kitágul, illetve azért, mert a térben nem egységes az energiadisszipáció. Az áramlást két nemlineáris jelenség alakítja ki, melyek közül az egyik a folyadék dinamikájának nemlineáris viselkedése, ami a tehetetlenségi er

dominanciáját jelenti a viszkozitási er vel szemben, a másik a

nemlineáris akusztikai hatás, ami az akusztikai áramlás hajtóerejének alapja. Képletesen gondoljunk egy tengeri hullámra, amely tornyosul, majd önmagán átbukik, a véges amplitúdók miatt (9. ábra). 9. ábra: Felületi hullám torzulása

A fenti ábrához hasonlóan torzul a szinuszhullám is a térbeli haladása közben (10. ábra), méghozzá a hullám pozitív részében egyre nagyobb amplitúdóértékek alakulnak ki a transzdúcert l távolodva, illetve közelebb jár a valósághoz, ha inkább lökéshullám (Shock Wave) kialakulásáról beszélünk, persze azon a hullám által megtett úton, amelyen még nem adszorbeálódik és alakul h vé a hullám energiája. 10. ábra: A szinuszhullám (A) és torzulása (lökéshullám) (B)

Tipikusan nemlineáris jelenség az akusztikai áramlás vagy "kvarcszél", amely egy állandó folyadékmozgás, amit az intenzív ultrahang okoz a fent vázolt fizikai okok miatt. Ennek során a folyadékban szemmel látható keveredés, turbulencia tapasztalható, amelynek látványos élményszer sége csak fokozható indikátoranyagok (festékek) folyadékhoz adagolásával (11. ábra). 11. ábra: Ultrahangos folyadékkever

Félretéve a viccet, az akusztikai kever hatás akár az élelmiszer-, akár a vegyipar, bio- és környezettechnika számára tartogat újdonságokat, ugyanis a keverés mellett "egy menetben" megvalósítható a diszpergálás (emulzió és szuszpenzió el állítása), a csírák serkentése, vagy éppen gátlása, roncsolása. Természetesen a technológia alkalmazhatóságának néhány esetben határt szabhatnak a kezelend anyag fizikai tulajdonságai, pontosabban inkább az extrém

körülményekhez szükséges berendezések kialakításának költségei. Széls séges, de az 1960-as években megoldott esetnek számít, az ultrahangos bitumenkeverési eljárás aerodinamikus ultrahanggenerátor segítségével. A legtöbb folyadék esetében akár önállóan, akár kombinált eljárásként, az el bb felsorolt m veletek el segítésére, vagy a h - és anyagtranszportfolyamatok intenzívebbé tételére alkalmazható az ultrahang. Az ultrahang története során többször felmerült a lökéshullám-jelenség vagy az akusztikai nyomás amplitúdó nagysága miatt, hogy mivel az akusztikai nyomás amplitúdó növekedése, vagyis a hullámtorzulás (9. ábra, 10. ábra) kis kibocsátott ultrahang-intenzitások mellett is el fordul, akkor mi a helyzet a diagnosztikai ultrahanggal? Köztudott, hogy a diagnosztikai ultrahangot például a folyadékkal telt vagy a savós testüregek feltérképezésére, így például a magzatnak a magzatvízen, a szívnek a véren, vesének a vizeleten keresztül való vizsgálatához alkalmazzák többek között. Az 1970-es években az egyre er söd tudományos nyomásra hirtelen "felfedezték", hogy ez a hullámtorzulás bizony ezeken a helyeken is kialakul, ami nem lenne baj, mert képen modellezve ez nagyon látványos jelenség (9. ábra), csakhogy a növekv akusztikai nyomás amplitúdó (a lökéshullám) az ultrahang egyik legdrasztikusabb kés bbiekben tárgyalt akusztikai jelenségét, a kavitációt váltja ki ezeken a helyeken is. A kavitáció pedig nemcsak a sejtek, makromolekulák, de még a legkeményebb fémek szétroncsolásának is az alapvet akusztikai kiváltója. Emiatt a 70-es évek végén, 80-as évek elején pánikszer en kijelölték a legmagasabb intenzitást, amelyet a diagnosztikai ultrahangnál alkalmazni lehet, vagyis azt az intenzitást, amely elméletileg a reflexióhoz elegend csak, és a szövetekben "gyorsan" adszorbeálódik, különösebb h képz dés nélkül. Búvópatakként, természetesen újra és újra el kerül a téma a konkurens technológiák bevezetésénél, amire például, az ECMUS, BMUS, WFUMB szervezetek majdnem évente kiadnak egy aktuális biztonsági szintet, természetesen külön az egyes diagnosztikai alkalmazásokra és berendezéstípusokra. Végs

soron leszögezhet

azonban, hogy a diagnosztikai ultrahang

maximális intenzitása 1 W/cm2 alatt néhány száz mW/cm2 körüli érték (már évek óta).

2.2.1. Atomizáció Az akusztikai áramlás, illetve a hullámtorzulás átviteles, járulékos hatása az atomizáció. Ez a jelenség az ultrahanggal besugárzott folyadékok (víz, fert tlenít szer, olvadt fémek stb.) kiporlasztását jelenti, amelynek kapcsán "szök kút"-jelenség is kialakul, ami igen látványos, azonban például az asztma kezelésében és rakéta- és járm ipari technikában annál hasznosabb jelenség (12. ábra).

12. ábra Ultrahangos atomizáció (A: akusztikus inhaláló, B: szök kút-jelenség, és C: akusztikus porlasztó)

(A)

(B)

(C)

Az atomizáció kapcsán a folyadékszemcsék a gázközegbe kerülnek, mely folyadékrészecskék hordozhatnak fert tlenít -, gyógy- és növényvéd szert, bevonó-, festék- és üzemanyagot stb. Érdekes jelenség alakul ki, amikor eltér

s r ség , egymással nem elegyed

folyadékok

helyezkednek el egymás felett, és alulról történik az ultrahang-besugárzás. Ekkor az alsó, nehezebb közeg felé alakul ki ez a "szök kút"-alakzat, és nincsen kiporlasztás sem.

2.3. Akusztikai kavitáció Nagyon fontos akusztikai jelenség a kavitáció, melynek a széles kör laboratóriumi és ipari alkalmazásai miatt érdemes egy külön fejezettel adóznunk. A kavitáció folyadékban történ üreg- vagy buborékképz dést jelent (13. ábra). A 13. ábra bal oldalán egy szilárd fal mellett kialakult "jet" vagy t szer belövellést mutató kavitációs buborékot láthatunk, míg a jobb oldalon egy szabad folyadékközeggel határolt kavitáció, vagyis üreg látható. Mindkett úgynevezett "tranziens vagy tehetetlenségi kavitáció". 13. ábra Tranziens kavitációs üreg (A: szilárd fal melletti "jet formájú", és B: szabad folyadékkel határolt tranziens kavitáció)

(A)

(B)

A kavitációs jelenség olyan folyadékokban alakul ki, amelyek akusztikai zavarnak, vagy talán esetünkben egyszer bben érthet , hogy ultrahang-besugárzás hatásának vannak kitéve, és akkor, ha az akusztikai nyomás a hangciklus ritkulási fázisának folyamán a teljes nyomást nézve lecsökken egy bizonyos küszöb vagy határérték alá. Ez a határérték a kavitációs küszöb. A kavitációs küszöb, azaz az akusztikai nyomás amplitúdó-határértéke számos fizikai paraméter függvénye, amelyek a közeg állapotát írják le. Ezekhez a fizikai tényez khöz tartozik a hangintenzitás, a hangfrekvencia, a h mérséklet, a nyomás, az oldott gáz típusa, mennyisége, a viszkozitás, a közeg el élete, a kavitációs magok típusa, mennyisége, az oldottion-koncentráció stb.

2.3.1. Kavitációs magok Fontos megjegyezni, hogy a kavitációs üregek úgynevezett kavitációs magokból növekednek ki. Több elméleti modell áll rendelkezésünkre a kavitációs magokra, melyek közül a legfontosabb a szervesb r-modell és a hasadék-modell. A szervesb r-modell azt jelenti, hogy a mikrobuborékokat apoláris és poláros részekb l álló molekulák filmszer rétegének stabilizációja óvja meg a gáz folyadékba történ diffúziója ellen. A hasadék-modell pedig azt jelenti, hogy a folyadékokban lév

mikroméret

szennyez déseken, az edény falain, illetve a szilárd felületeken szintén mikroméret hasadékok találhatóak, melyekben csapdázott gáz található. Ebb l a "gázzsebb l" (gas pocket) az oszcilláló hullámtérben a negatív nyomási fázisban fog "kin ni" a kavitációs üreg. Voltak, akik figyelembe vették a folyadékok felületi feszültségét, mely a gázzsebben stabilizált kavitációs mag folyadékkal alkotott érint szögeit befolyásolja, ami azt határozza meg, hogy mekkora akusztikai nyomás amplitúdóra van ahhoz szükség, hogy ez a gázzseb vagy gáztest "aktiválódjon" (gas body activation).

2.3.2. Kavitációtípusok Minimum két

különböz

kavitációtípust, vagyis folyadékban történ

üreg- vagy

buborékképz dést célszer ismerni és megkülönböztetni a hatékony ultrahangos munkánkhoz.

2.3.2.1. Tranziens (tehetetlenségi) kavitáció Az els , a fent említett (13. ábra) tranziens, tehetetlenségi vagy hard kavitáció, amely során a kavitációs üreg egy akusztikai ciklus során megnövekszik, majd hevesen összeomlik.

Amennyiben ez az összeomlás szilárd fal vagy felület mellett zajlik (sejtmembrán, szivattyú rotor, hajócsavar stb.), úgy az a falra nézve drámai következményekkel jár, a következ mechanizmus szerint (14. ábra). 14. ábra Tranziens kavitáció: összeomlás szilárd fal mellett (A: az összeomlási folyamat, B: t szer kilövellés "jet")

(A)

(B)

Szilárd fal melletti kavitációs üreg tranziens összeomlása során a kavitációs üreg szilárd fal fel li oldalán a szabad folyadék fel li oldalhoz képest a közegáramlás összetev je er teljesen lecsökken. Ezért a kavitációs üreg falának mozgása a középpontjához képest aszimmetrikussá válik. Ezáltal az üreg folyadékból alkotott falának a szilárd fallal ellentétes oldala nagyobb sebességre szert téve fog az üreg középpontja felé mozogni, mint a szilárd fal fel li üregoldal. Az üreg falának aszimmetrikus egyre gyorsuló mozgása a leggyorsabb részen egy t szer folyadéksugár kialakulását eredményezi, ami tehetetlensége miatt nagy sebességgel átdöfi a buborékot (13. A., 14. ábra), ezzel a vele szemben elhelyezked szilárd falat, így például sejteket, szivattyúlapátokat, hajócsavart, ultrahangkészüléket, k szemcséket er teljesen erodálja (15. ábra). A 15. ábra azt mutatja be, hogy a tranziens kavitációs buborékok a dolomitszemcsékre milyen drasztikus hatással vannak. A kiindulási állapothoz képest, hozzávet leg 10 perces 1 MHz-es 12 W/cm2 teljesítmény kezelés után szemmel látható módon lecsökkent a szemcsék mérete, azaz erodálódtak. Az erózió miatt kell cserélhet titánhegyet vennünk és bizonyos id szakonként cserélnünk is az ultrahang-berendezésünkön található mechanikai er sít oszlopon (16. ábra). Amennyiben a kavitáció nem szilárd fal mellett omlik össze, úgy inkább a kémiai roncsoló hatás érvényesül, mivel a tranziens kavitáció során a molekulák széttöredezése is megfigyelhet . A molekulák roncsolódása f leg az er teljes mechanikai lökéshullámnak, illetve

mikroáramlásoknak, illetve az összeomláskor kialakuló 10-35 000 K h mérsékletnek és a több ezer bar nyomásnak köszönhet . 15. ábra Dolomitszemcsék ultrahangos eróziója (A: kiindulási állapot, B: 10 perc kezelés utáni állapot)

(A)

(B)

16. ábra Konvencionális ultrahangos sejtroncsoló sémája

A kavitációs erózió hatására változik a transzdúcer, illetve a mechanikai er sít rudak hossza, ezáltal megváltozik azok rezonanciafrekvenciája, illetve az a pont, ahol a hullám maximális amplitúdó mellett elhagyja a transzdúcerünket. Mivel eredetileg a legnagyobb hatékonyságra tervezett /2 valahányszorosa a transzdúcer és mechanikai er sít rúdhossz (17. ábra), ezért az eróziótól er sen lecsökken a kezel berendezésünk hatékonysága. Az tehát egy trükk lehet a hatékony ultrahangos munkáért, ha figyelemmel kísérjük a berendezésünk min ségét, és ha szükséges, akkor beavatkozunk.

17. ábra A legáltalánosabb mechanikai er sít k

Az eróziót onnan ismerjük fel legjobban, hogy a felcsavarozható titánhegyen (tip) bevés dések, egyenetlenségek jelennek meg. Ekkor azonnal cseréljük le ezt az alkatrészt, amit egyszer en ki és vissza lehet csavarni. A következ trükkünk a hatékony ultrahangos tevékenységért pedig azon alapszik, hogy mivel a tranziens kavitáció szerencsénkre hangjelenséggel jár, mégpedig olyannal, amit mi is hallunk (a laboránsok szerencsétlenségére), ezért a saját érzékeinkre hagyatkozva képesek lehetünk megállapítani, hogy mikor történik a céljainknak legmegfelel bb munkavégzés. Tehát abban az esetben, hogy ha a besugárzás folyamán 16 kHz-en vagy efelett m köd berendezésünknél éles, pattogó vagy sisterg hangot hallunk (21. ábra), ez nagyon jó jel lehet, mivel a rosszul hangolt akusztikai berendezés szétesése el tti alharmonikus kibocsátás b nös gondolatának elodázása után örömmel konstatálhatjuk, hogy a rendszerünkben tranziens kavitáció található. Ez pedig az anyagra nézve drasztikus tevékenységet folytatók számára öröm, mivel hozzásegítheti ket céljaik eléréséhez. Abban az esetben, amikor viszont nem halljuk ezt a hangot, és éppen például sejtfeltárást folytatunk, akkor ne habozzunk növelni az amplitúdót, vagy újra hangolni a berendezést, illetve ellen rizni, hogy mindent helyesen állítottunk-e össze, mivel ekkor minden egyes kezelési perc feleslegesen múlatott id . Tehát emberi fül számára is hallható jelei vannak a tranziens kavitációnak, amely kavitációtípus az anyag roncsolódását okozza.

2.3.2.2. Stabil kavitáció A másik fontos ismerend kavitációtípus a stabil kavitáció. Stabil kavitáció akkor történik, ha a buborék számos cikluson keresztül oszcillál, a térb l való távozás, vagyis felszínre vándorlás, illetve összeomlás nélkül, és a depresszió alatt mérete csökken, majd az ellenkez fázisban újra kitágul, mivel g zt tartalmaz (18. ábra). Bizonyos esetekben a depressziós akusztikai ciklus alatt tágul, az ellenkez akusztikai fázisban pedig zsugorodik a buborék, amelynek az er teljes, több ezer kelvines h képz dés lehet az eredménye. 18. ábra A stabil kavitáció sémája

A tranziens kavitáció nem, vagy csak elenyész

mértékben tartalmaz g zt, mivel olyan

hevesen zajlik le, hogy a diffúzióra nagyon kevés id áll rendelkezésre. De nem úgy a stabil kavitációnál. Ebben az esetben a buborék valóban buborék formájú és a mikroméret buborékból a látható "nagy" buborékká való növekedéséhez nagyon sok ezer, s t akár több millió oszcillációra is szükség van (1 MHz-en 1 másodperc alatt 1 000 000 hangciklus van, 10 kHz-en pedig 10 000). Ebben az esetben ez alatt a számos hangciklus alatt van ideje az oldott gázoknak, a vízg znek és az egyéb anyagoknak a buborékba diffundálni. A stabil kavitációs buborék az oszcilláló akusztikai tér miatt saját frekvenciával rendelkezik, illetve általában további felületi rezgések is kialakulhatnak rajta (al- és felharmonikusok kiváltói), melyek a buborék környezetében er teljes turbulenciákat indukálnak. Ezeket a turbulenciákat nevezzük mikroáramlásoknak, melyekre magas nyíróer a jellemz , és amelyet a sejtbiológiai hatások egyik kiváltójaként tartanak számon. A stabil kavitációs buborékok az akusztikai tér oszcillációjától vezéreltetve egy adott rezonanciafrekvencián sugárzóvá válnak. A buborékok eltér rezonanciafrekvencián pedig eltér egyensúlyi méret ek. Ez azt jelenti, hogy amennyiben a viv frekvencia, azaz az a berendezésünk kibocsátott frekvenciája magasabb, akkor kisebb, míg az alacsonyabb viv frekvenciák mellett nagyobb ez az egyensúlyi, rezonanciafrekvenciára jellemz buborékméret. A stabil kavitációs buborék pedig "e körül" az egyensúlyi méret körül oszcillál, azaz tágul és sz kül az akusztikai tér váltakozásának megfelel en, vagy azzal

ellentétesen, vagy fáziseltolódással. A buborékok, az önállóan kibocsátott hangsugárzás által szétterítik, eloszlatják, csillapítják, szórják az eredeti akusztikai energiát a hangtérben. A gázzal telt stabil kavitációs buborékok rezonanciafrekvenciája (f0) a [4]. egyenlet szerint:

A képletben a ( ) a folyadék s r sége, ( 0) a környezeti nyomás, (R0) a gázbuborék sugara, (f0) a rezonanciafrekvencia,

a politrópikus index, azaz a fajh k aránya, vagyis az állandó

nyomáson és az állandó térfogaton vett fajh k hányadosa, (

0)

a körfrekvencia

, az (f)

pedig az ultrahang frekvenciája. Látható a [4]. egyenletben, hogy a rezonanciafrekvencia és a buboréksugár milyen szoros összefüggésben állnak. Akkor beszélünk vízbeli leveg buborékokról, ha azok átmér je nagyobb, mint 10 µ m. A [4]. összefüggésb l azt lehet pontosan meghatározni, hogy amennyiben egy adott méret stabil kavitációs buborékra van szükség, például szonokémiai alkalmazásra,

mekkora

az

a

viv frekvencia,

amellyel

dolgoznunk

kell.

Kijelenthet , hogy ha szabad szemmel látjuk a folyadékban a kavitációs buborékokat, akkor minden bizonnyal stabil kavitációval van dolgunk (19. ábra). 19. ábra Stabil kavitációs buborékok

Miért is fontos nekünk, hogy milyen típusú kavitációs buborékok vagy üregek vannak a rendszerben? Azért, mert mindkét kavitációtípust másra lehet és kell is használni! Számos tudományos közlemény vitatja és bizonyítja a mai napig a stabil kavitáció, vagyis az oszcilláló, gázzal telt buborékok hatékony roncsoló hatását, a mikroáramlások nyíróerején keresztül. Azonban a tranziens kavitáció hatékonyságát soha senki nem kérd jelezte meg

(illetve aki még a XX. század elején ezt megtette, kés bb saját maga bizonyította, hogy nem volt igaza), és ez a lényeg! A stabil kavitáció alacsonyabb intenzitásszintek mellett is kialakuló határjelenség, amit például a magas sejt- vagy szemcsekoncentráció, az alacsony oldottgáz-tartalom stb. egyszer en megszüntet. Ezáltal állandó kontroll alatt kellene tartanunk a rendszert, amire ésszer en természetesen egy technológiai sorban alkalmazott eszköznél sincsen mód. Ezáltal amennyiben arra törekszünk, hogy minél hatékonyabb ultrahangos munkát végezzünk, akkor célszer

a kavitációs határzóna feletti intenzitással (amplitúdóval) dolgoznunk, amelynek

hatására a biztató, fülsért , éles hang (kavitációs hang = cavitation noise) kompenzálása kapcsán a laboratóriumi rádiónkat e munkafázis id tartamára feljebb kell hangosítani. Továbbá ne feledjük bizonyos id szakonként ellen rizni a titánhegy állapotát a mechanikai er sít rúdon, illetve ha szükséges, akkor cserélni azt (16. ábra).

2.3.3. A kavitációra, illetve az akusztikai jelenségek kialakulására vonatkozó vizsgálatok A következ kben a sejtkoncentráció fontosságára hívom fel a figyelmet, melynek a kavitációra gyakorolt hatását vizsgáltam. Anélkül, hogy különösebben belemennék a tudományos kutatások dzsungelébe, és a mélyebb fizikai összefüggésekbe, inkább csak említésszer en utalnék a sejtkoncentráció jelent ségére a kavitációs jelenséggel kapcsolatban (20. ábra). 20. ábra Kavitációs határkoncentráció alakulása az alkalmazott ultrahang-teljesítmény függvényében, különböz modellanyagok esetén

1,117 MHz frekvencián különböz

intenzitásszintek mellett liofilizált Saccharomyces

cerevisiae éleszt gombát és az éleszt gomba átlagos sejtnagyságával megegyez nagyságú szemcsékb l álló dolomitliszt-szuszpenziót alkalmaztam modellanyagként annak vizsgálatára, hogy meghatározzam, hol van a kavitációnak, illetve az állóhullámnak a határkoncentrációja. A határkoncentráció az a koncentráció, ahol az egyik akusztikai jelenség a másikkal szemben küszöbszer en dominanciára jut, vagyis esetemben a tranziens és a stabil kavitációból állóhullám, majd állóhullámból akusztikai áramlás alakul ki. A kés bbiekben látjuk majd, hogy azért elengedhetetlenül fontos ennek a küszöbértéknek az ismerete, mert e nélkül nem lehet biztonságosan ultrahangos munkát végezni. A küszöbérték ismeretének hiányában csak vakrepülés az általunk végzett tevékenység. Az egyes akusztikai jelenségeknek ugyanis teljesen eltér biológiai, fizikai és kémiai hatása van az anyagra. A kísérleteket pohárszer

kialakítású, alulról besugárzott akusztikai kamrában hajtottam

végre, de bármilyen ultrahang-berendezés esetén elvégezhet ez a vizsgálat. A továbbiakban ajánlanám ezt azoknak, akik sejtfeltárást vagy roncsolást, ülepítést végeznek az ultrahang segítségével. A kísérleteket alap és kiegészít módszer szerint hajthatjuk végre, melynek az a lényege, hogy az alapvizsgálatnál egy adott folyadékmennyiséget helyezve a kezel edénybe, majd az ultrahangot rákapcsolva, a kavitáció jelenségének a jelenléte mellett, addig szórjuk a modellszemcséket a hangtérbe, amíg a tranziens kavitációs zaj hallható. Ezután a maradék szemcsemennyiséget visszamérve, illetve a vizsgálatot többször megismételve alakul ki az alapvizsgálat végeredménye a fogyott anyagmennyiségre vonatkozóan egy adott ultrahangteljesítményre. Vagyis innen kapjuk meg a diszpergáló közeg mennyiségének az ismeretében a kavitációs határkoncentrációt. A kiegészít

módszerrel pontosítható tovább a kapott

eredmény megközelítéses módszer segítségével. Látható a 20. ábrán, hogy mindkét modellanyag esetében növekedett a kavitációs határkoncentráció az ultrahang-teljesítmények növelésével. Ezt az eredmény a gyakorlat számára lefordítva azt jeleni, hogy az egyre magasabb amplitúdókkal egyre magasabb koncentrációjú szuszpenziók vagy valódi oldatok mellett vagyunk képesek kialakítani a kavitáció jelenségét. Tehát amennyiben például sejtfeltárást folytatunk, és a sejtszuszpenzió koncentrációja a kavitáció jelenlétének megfelel koncentrációhoz szükségeshez képest relatíve magasabb, abban az esetben növelnünk kell az

ultrahang-intenzitást ahhoz, hogy a célunkat a kavitáció segítségével elérjük. Ha az intenzitás további növelésére nincs mód, akkor a szuszpenziót fel kell hígítani, ugyanis a kavitáció kialakulásánál nem a hangtérben lév

anyagmennyiség számít, hanem kizárólag csak a

koncentráció. A diszpergálószerrel történ hígítás azért is hatékony, mivel az általában sok kavitációs magot vihet magával az anyagba, amely láncreakciószer en váltja ki a heves akusztikai jelenséget. Ez persze logikus megállapítás, azonban az alkalmazott gyakorlat, de még az alkalmazó tudományos világ számára sem teljesen egyértelm a szakcikkek alapján, így egy trükk lehet a célirányos ultrahang-felhasználás érdekében. Ahhoz pedig, hogy a már az el z ekben oly sokat emlegetett roncsoló hatású tranziens kavitáció ultrahangtérbeli jelenlétér l minden kétséget kizáró bizonyítékot adjak közre, elegend rápillantanunk egy frekvenciaanalizáló szoftver 21. ábrán látható szonogramjára. A 21. ábrán kiválóan megfigyelhet

a kavitációmentes háttérzaj és az erre szuperponálódó

kavitációs plusz háttérzaj ábrája közötti különbség. A frekvenciaanalízist a minden egészséges ember számára jól hallható 4-6 kHz frekvenciatartományban végeztem el, és jól látható a körben elhelyezked

kiemelked

oszlop a jobb oldali 21. B. ábrán, mely a kavitációs

zajkibocsátást mutatja. A kavitációs zaj a tranziens kavitáció sziszegéséb l, pattogásából, illetve a stabil kavitáció alharmonikus kibocsátásából származik. 21. ábra A kavitáció által kibocsátott 5 kHz körüli frekvenciatartományok szonogramjai, (Abszcissza: frekvencia (Hz), ordináta: intenzitás (mV). Balról háttérzaj, jobbról kavitációs + háttérzaj)

(A)

(B)

2.4. Szonolumineszcencia A következ

nagyon izgalmas, még a kavitációval összefügg , hazánkban is egyre több

kutatót foglalkoztató akusztikai jelenség a szonolumineszcencia. A szonolumineszcencia jelensége fénykibocsátó üreg vagy buborék jelenlétét jelenti az ultrahangtérben (22. ábra).

Természetesen általában több ilyen üreg vagy buborék egyidej

jelenlétér l van szó a

szonolumineszcencia említésekor, és éppen a monobuborékos stabil rendszerek kialakítása igényli a legkomolyabb tervez tevékenységet. Látható a 22. ábrán, hogy a mechanikai er sít oszlop alatt milyen intenzív kemolumineszcencia valósul meg ultrahang hatására luminollal. Azonban természetes módon bárki megtapasztalhatja tiszta csapvíz esetében is ezt a jelenséget egy sötétített laboratóriumban az ultrahang hatására, megfelel en magas akusztikai nyomásamplitúdók mellett. 22. ábra A szonolumineszcencia megnyilvánulásai (Forrás: http://www.fb-chemie.uni-rostock.de/ess/intro.htm) (A: kemilumineszcencia (Forrás: http://qvack.lanl.gov/Ultrasonics/ULTRASONICS.HTML), B: gömblombikos szonolumineszcencia-berendezés séma (Forrás: http://www.physics.ucla.edu/~hiller/sl/), C: szonolumineszcencia levitáló stabil kavitációs buborék esetén, SBSL (single bubble sonoluminescence levitator) technika (Forrás: http://www.physik.tu-darmstadt.de/nlp/sl/)

(A)

(C)

(B)

Több próbálkozás történt tehát az egybuborékos rendszerek életre hívására, azonban a fizikai alapot tekintve mindig állóhullámbeli levitációt alkalmaznak. Két módszer terjedt el széles körben. Az egyiknél gömblombikban, álló gömbhullámokkal, a másiknál pedig egy álló hengerben, az el zetesen vázolt folyadékbeli 6. és 8. ábra szerinti levitátor elrendezésben történik a buborékok csapdázása a folyadékban, az állóhullám sebességi csomósíkjaiban, mivel a buborék könnyebb, mint a viv közeg. Magát a szonolumineszcencia jelenséget 1934 óta ismeri a tudományos világ, azonban létezésének igazi tudatosodása egy évtizeddel ezel ttre tehet . Ekkor dolgozták ki a fent említett gömblombikos és álló hengeres technikát, amely segítségével a fénykibocsátó üreg huzamos id n keresztül egy helyben csapdázható a térben (22. B. ábra). A fénykibocsátás oka a korábban született, viszont a mai napig konvencionális magyarázat szerint az, hogy több ezer bar és 10-35 000 K h mérséklet alakul ki a kavitációs buborékokban, ami miatt az üregben lév

atomok gerjeszt dése okán fotonkibocsátás

történik. Ma az egyre gyorsabb filmfelvételi lehet ségek megjelenésével, egyre többen

lézerelmélettel magyarázzák a jelenséget, mert kiderült, hogy a fénykibocsátás 10 pikoszekundumos sorozatokból tev dik össze. Az utóbbi években egyes mértékadó tudósok a még feltáratlan anomáliák miatt logikailag azt állítják, hogy az eddigi h mérséklet- és nyomásértékek alábecsültek, és bizonyos új elméletek szerint a fényl buborékban 15 millió °C is kialakulhat, ami a földi napmodell lehet, melynek során magreakció által a hélium hidrogénekre bomlik. Persze egy ilyen arra érdemes kijelentés után több, eltér impaktfaktú cáfolat között mazsolázhatunk, de ez az invizíciónál is így volt, csak valamennyire határozottabban. Végs soron 10-35 000 K mellett is igen speciális kísérleteket végezhetünk hosszú távon stabil akusztikai rendszerrel, ez pedig komoly fegyvertény.

2.5. Az ultrahang h hatása, hipertermia A következ kben tekintsük át az ultrahang minden felhasználó által ismert h hatását! A hanghullámok minden anyagban frekvenciájuktól, a hullám típusától, a h mérséklett l, illetve az anyag tulajdonságaitól függ mértékben abszorbeálódnak, a rezgési energia irreverzibilis h vé alakulása következtében. Az ultrahang egyik legfantasztikusabb, hozzávet leg két évtizedes aktív múltra visszatekint megrendít

erej

kutatási témájának, a hipertermiának az alapját ez a tény képezi. Az

ultrahang h hatása természetesen könnyen elegend

a biológiai struktúrák és a kémiai

folyamatok befolyásolásához. Az abszorpció miatt az ultrahang intenzitása a távolsággal exponenciálisan csökken, és az intenzitást a hangtér egy adott pontján, az alábbi [5]. egyenlettel fejezzük ki:

ahol (I0) [W/cm2] vagy [dB] a kiindulási vagy kibocsátott intenzitás, (I) az aktuális intenzitás [W/cm2] vagy [dB], ( ) az abszorpciós koefficiens [Np/cm=8,7 dB/cm], (x) pedig az adott irányban megtett távolság [cm]. A h képz dés (qv) [K/s] pedig a [6]. egyenlet szerint:

ahol (C) a fajh [kJ/gK], (m) a kezelt anyag tömege [g].

2.5.1. Az abszorpciós koefficiens Az abszorpció vagy elnyel dés mindig jellemez egy adott közeget, környezetet, struktúrát, ami meghatározza a terjedés paramétereit. Az abszorpciós koefficiens ( ) nagysága leginkább a hullám típusától, a hangtér anyagi min ségét l és a frekvenciától függ. Az abszorpciós koefficiens tiszta folyadékok esetén a viszkózus ( v) és a h - ( h) abszorpcióból tev dik össze ( = h)

v

+

h

[dB/m]), emulziók esetében pedig

teljes= i+ s+ v+ h

[dB/m]. A képletben az (

és az ( v) már ismert tényez k, az ( i) az emulzifikált anyag bels elnyelése (mono- és

dipólusabszorpció), az ( s) pedig a szórási elnyelés, vagyis az emulziócseppeken kialakuló hangszóródás mértéke. Magától értet d módon az egyes anyagoknak, így az egyes szöveteknek is különbözik az abszorpciós koefficiense, amely mellett ha azt is figyelembe vesszük, hogy az ultrahang irányítható, koncentrálható, akkor már érthet , hogy az arra fogékonyak miért jönnek ett l izgalomba. Ugyanis abban az esetben, ha például a kezelend abszorpciós koefficienssel rendelkez kisebb intenzitású különböz

szövet el tt nagyobb

vagy érzékenyebb szövetrész található, akkor több

irányokból érkez

linearizált vagy koncentrált hangsugár

alkalmazásával kivitelezhet a kívánt hatású kezelés a megcélzott területen is (23. ábra). 23. ábra Célra irányított ultrahang-hipertermia

A 23. ábrán megfigyelhet , hogy a koncentrált ultrahangsugár segítségével akár az emberi test bármely pontján elhelyezked

objektum megcélozható, ahol a h mérséklet-emelkedés

hatására a fehérjék denaturációja következik be. A denaturálódott fehérjék pedig a test adott zónájából felszívódnak. A mai számítógépes szoftverek segítségével mód van arra, hogy az egyes hang útjába kerül

objektumok hangsugártör , adszorpciós és szóróképességét

kikalkulálják abból a célból, hogy éppen a megfelel mennyiség energia érje el azt a pontot,

ahol a kezelend objektum található. Természetesen ez a számítógépes sugárútszámításra vonatkozó technika már nem teljesen "vakrepülés", a nagy precizitású modellez szoftverek kifejlesztése után, de egy újabb, sokkal biztosabb, a pillanatnyi változásokat állandóan követ és ezek alapján szabályozott, a tanulmányban többször említett technológia, az MR-re (mágneses magrezonanciára) alapozott ultrahangsebészet. Itt a mágneses magrezonanciaképet mint egy három dimenzióban szkennelt, állandóan frissített emberitest-képet kell elképzelni, amelyen a beavatkozást végz orvos bejelöli a denaturálandó testterületet és a koncentrált hangsugár tizedmilliméteres pontossággal elvégzi a kezelést. Ezzel párhuzamosan az MR készülék folyamatosan követi a test h mérsékletét, és így a környez

szövetek

túlmelegedése nem következhet be. A túlmelegedés veszélyekor a berendezés átpozicionálhat, vagy változtathatja a hangsugár intenzitását.

2.6. Az ultrahang sejtbiológiai hatásai Nézzük meg el ször, hogy milyen alapokon nyugszik az ultrahang sejtbiológiai hatásmechanizmusa! A mai napig a legfels bb alkalmazói körökben is sok kérdés merül fel a témával kapcsolatban. Ebben a kérdésben, mivel a sz kebben vett kutatási területemr l van szó, megpróbálok korrekt, szerteágazó és teljes mértékig autentikus választ adni, figyelembe véve azt, hogy ne haladjam meg a más felhasználási módozatok iránt érdekl d k türelmi szintjét. Legáltalánosabban Miller et al. (1996) fogalmazták meg az ultrahang in vitro sejtbiológiai hatásait. Szerintük három alapvet

elemb l tev dik össze az ultrahang sejtbiológiai

hatásmechanizmusa, melyek a termikus, a kémiai és a mechanikai mechanizmusok. Morton et al. (1982) szerint az ultrahangos besugárzás a szuszpenziókban lév

sejtek líziséhez,

széteséséhez, széttöredezéséhez vezet. Szoros összefüggést mutattak ki a szuszpendált sejtek roncsolódása és az összegzett kibocsátott alharmonikus energia közt, amelyr l tudjuk, hogy az a stabil kavitációs buborékok jelenlétének az ismertet jegye. Azt is kimutatta, hogy amikor elkezd dött

az alharmonikus kibocsátás, akkor kezdtek pusztulni a sejtek, ami

megkérd jelezhetetlen bizonyíték. A sejtek életerejének felbecsülésére vitális festést alkalmazott tryponkékkel, hasonlóan az általunk alkalmazott metilénkékes vitális festési eljáráshoz. Harwey et al. (1975) kimutatták, hogy amely sejt közelében tranziens kavitációs összeomlás történt, ott a sejtek roncsolódása következett be, melynek kapcsán a sejtfal felrepedt, az endoplazmatikus retikulum kitágult, a

mitokondrium károsodott, és más szabálytalan mechanizmusok is felléptek. Miller et al. (1995) ultrahangsugárzás hatásaként DNS-fonal töredezésér l, Macintosh és Davey (1970) kromoszómaszéttöredezésr l, Barnett et al. (1988) kromatídaaberrációról, Kaufman (1985) mutagén hatásról, Dooley et al. (1984) a sejtek makromolekula-szintézisének megváltozásáról számolt be. Fu et al. (1980) vizsgálták a sejtek ultrahangkezelés hatására kialakuló telepképzési erélyváltozását, amellyel kapcsolatban megállapítják, hogy ez a tulajdonság már 1 W/cm2 intenzitású ultrahang besugárzás hatására is megváltozik. Thacker (1973) a haploid és diploid pékéleszt sejtek (Saccharomyces cerevisiae) ultrahangbesugárzással kapcsolatos túlélését vizsgálta. Tapasztalatai alapján nem szinkronizált populációk vizsgálatát javasolja az eltér fejl dési stádiumban lév sejtek eltér kavitációs érzékenysége miatt. A vizsgálataiból kapott túlélési görbék ezáltal nem egy-, hanem többfázisúak voltak. Emiatt az eredményei eltérést mutattak a szokványos exponenciális túlélési görbét l, habár a kavitációs határon dolgozó kutatók a pusztulási dinamikát az egyszer ség kedvéért állandó exponenciális lefutásúra veszik. Thacker (1974) egy évvel kés bb négy genetikai rendszerhez tartozó éleszt sejteket vizsgált az ultrahang mutagén hatásának tekintetében. A mitokondriális DNS-ben legtöbbször mutáció történt a kavitáció hatására. A mutagén hatás gyakorisága pedig növekedett a h mérséklet emelkedésével.

2.6.1. A beugárzás hatására keletkez szonokemikáliák sejtbiológiai hatásai Fontos megjegyezni, hogy nemcsak a szonokémia, hanem az ultrahang sejtbiológiai hatásainak jelent s része is függ a besugárzás hatására kialakuló szonokemikáliáktól, melynek legáltalánosabb megnyilvánulási formája az ultrahangsugárzás hatására kialakuló hidrogénperoxid (H2O2)és a H+ + OH- ionok, vagyis a vízbontás folyománya. Hughes (1961) éleszt sejteket tárt fel akusztikai kavitáció segítségével, és arra a megállapításra jutott, hogy a kavitáció során szabad gyökök keletkeznek, és azok hozzájárulnak a kavitáció mechanikai roncsoló hatása által kiváltott sejtpusztuláshoz. Miller et al. (1991), valamint Riesz és Kondo (1992) szerint a tranziens kavitáció folyamán képz d szabad gyökök, valamint egyéb szonokémiai termékek, így például a szonokémiai hidrogénperoxid jól detektálható in vitro ultrahang-besugárzást követ en, ami hozzájárul a sejtek DNS-károsodásához is. A polimereket (DNS) összeköt hidrogénhidakkal reakcióba lép a vízbontás hatására kialakult szabad gyök, az OH- ion, emiatt az ultrahang mutagén hatása kerül el térbe. Miller és Thomas (1994) szintén kimutatták, hogy a hidrogén-peroxid és egyéb

szonokemikáliák, megfelel

koncentrációban történ

termel dése biokémiai változásokat

eredményeznek az él sejtekben, illetve ehhez a hatáshoz adódik még hozzá a kavitáció által okozott direkt mechanikai sejtkárosító hatás is. Prise et al. (1989) szerint a sejtpusztuláshoz szükséges hidrogén-peroxid-koncentráció 1 mM. Miller és Thomas (1993) hidrogén-peroxid termel dését és hemolízis megindulását írták le ugyanazzal a küszöbbel, ahogy a tranziens kavitáció megindult. A kavitáció következtében a besugárzás els perceiben közel százszázalékos sejtlízis (feloldódás) következett be, viszont a hidrogén-peroxid-koncentráció a besugárzás 30. percében mindössze 10 µ M volt, ami az el z ek alapján szintén a mechanikai hatás dominanciáját húzza alá, és nem a képz dött hidrogén-peroxid pusztító erejét.

2.6.3. Specifikus sejtbiológiai hatások Nem szakemberek számára most biztosan elborzasztó tudományos eredmények ismertetése következik. Azonban felhívom a figyelmet, hogy a specifikus sejtbiológiai hatások jelen tárgyalásánál els sorban az aktív ultrahang által kiváltott folyamatokra mutatok rá. Ezt jelen esetben azzal a hasonlattal tudnám megvilágítani, hogy amíg a passzív ultrahang olyan, mint egy lenge szélfuvallat, addig az aktív olyan, mint egy tomboló orkán. Kim et al. (1971) és Schnitzler (1973) kromatidák széttöredezésér l számoltak be a stabil kavitáció következtében sejtszuszpenziókban. A töredezés a mitózisos osztódás anafázisban volt a leger teljesebb, illetve a centromérák er teljes töredezésére is felhívták a figyelmet. Azt állítják, hogy az oszcilláló

stabil

kavitációs

buborékok

által

kiváltott

mikroáramlások

okozzák

a

kromoszómaaberrációt az ultrahanggal kezelt sejteknél. Hughes és Nyborg (1962) vizsgálták az Escherichia coli baktériumok ultrahang általi pusztulását, és k is azt tapasztalták, hogy nem csak a tranziens, hanem a sokat vitatott hatású stabil kavitáció esetében is megtörtént a sejtek pusztulása, így ez alapján k is azt állítják, hogy a tranziens, összeomló típusú kavitáció nem elengedhetetlen a sejtek széttöredezéséhez. Kaufman et al. (1977) bebizonyította, hogy a szuszpendált sejtek ultrahangos besugárzása a sejtek líziséhez, vagyis széteséséhez, feloldódásához, illetve a sejtek teljes széttöredezéséhez vezet, aminek f kiváltója a kavitáció. A lízis közvetlen, azonnal jelentkez következménye az ultrahangsugárzásnak, nem egy kés bb expresszálódó hatás. Ter Haar et al. (1980) és Li et al. (1977a) szerint az ultrahangnak alávetett sejtek esetében, amelyeknél h mérséklet-

növekedés következik be, és amely sejtek nem pusztulnak el a mechanikai sérüléseik miatt rögtön, a szaporodóképesség vesztése léphet fel.

2.6.4. Az ultrahang biológiai membránokra gyakorolt hatásai Nem kell hangsúlyozni a membrántranszport-folyamatok fontosságát. Több évtizede külön membrántranszport-szekciója van a Magyar Biofizikai Társaságnak, önálló tudományterület, különálló konferenciákkal, folyóiratokkal, tudományos eredményekkel, intézetekkel. Emiatt természetesen a teljesség igénye nélkül, mindössze érint legesen próbálom felhívni a figyelmet az ultrahang transzportfolyamatokat befolyásoló hatására. Az ultrahang akkor befolyásolja a membrántranszport-folyamatokat, ha nem a legdrasztikusabb sejtroncsoló hatásról, hanem a besugárzást túlélt, elszenvedett sejtekr l beszélünk. Dinno et al. (1989) szerint az ultrahang-besugárzás megváltoztatja a sejtmembrán permeabilitását, transzport-aktivitását. A sejt elektromos paraméterei módosulnak, a teljes ionvezetés növekszik. Chapman (1974) kimutatta, hogy az ultrahang képes szubletális változásokat indukálni a plazmamembránban, például a kálium-anyagforgalom besugárzást követ azonnali csökkenésével. Dyson (1985) azt állítja, hogy a sejtmembrán K-Na ionokra permeabilitásváltozást szenved ultrahang-besugárzásra és a mitokondrium-membrán a legérzékenyebb a kezelésre. Dinno et al. (1993) szerint az 1 MHz frekvenciájú ultrahangbesugárzás hatására a membrán permeabilitásának változása a kavitáció mechanikai hatásának eredménye, mivel a kavitációval képz d szabad gyököket gyökfogó anyagokkal, például ciszteinnel megkötötte a kísérlet folyamán, és a hatás így is érvényesült. Watmough et al. (1977) bebizonyították, hogy az intracelluláris kavitációs mikrobuborékok a sejtmag, a mitokondrium és a granuláris endoplazmatikus retikulum membránjának kavitációs magjaiból fognak kinövekedni, és ez a jelenség azok roncsolódásához vezet. Ter Haar et al. (1979) szerint a sejtmag membránján ultrahangos besugárzás után elektronmikroszkóposan kimutatható apró, repedésszer elváltozások keletkeznek, ami az el z elméletet támasztja alá. Inoue et al. (1989) szerint amennyiben a sejtben egy gázmag (kavitációs mag) található, az ultrahang hatására akusztikailag aktiválódva (gas body activation) kitágul és szétrepesztheti a sejtet. Ekkor a buboréknak még össze sem kell omlania a sejtek károsításához. Ha viszont egy buborék a sejtben tranziens összeomláson megy keresztül, az mechanikailag és a képz dött szonokemikáliák hatására biokémiailag is károsíthatja a sejtet intracellulárisan. Alliger (1975)

kimutatta, hogy rövid id tartamú in vitro ultrahang-besugárzás hatására a citoplazmamembrán leválhat a sejtfalról. Mérései szerint az eltér

formájú mikroorganizmus-fajok eltér

érzékenységgel rendelkeznek az ultrahangkezelésre, például a kokkusz-fajok ellenállóbbak, mint a pálcika alakúak.

2.6.5. Alkalmazott ultrahang fizikai alapjai Az ultrahang gyakorlati alkalmazására lehet példa, hogy Rubleson et al. (1975) szerint a mikroorganizmusok ultrahangos szétroncsolása a tej paszt rözésének tekintetében a konvencionális, tradicionális sterilizálási és paszt rözési eljárások kiegészítéseként kerülhet szóba. A baktériumok kizárólag ultrahangos elpusztítása nehézkes, de az ultrahang fel tudja er síteni a konvencionális h kezelés hatását, a folyamat így felgyorsul, mivel a baktériumplakkok a besugárzás hatására diszpergálódnak, így javul a denaturálandó anyagok felé

irányuló

h transzport.

Ordonez

et

al.

(1984)

h kezeléssel

kombinálta

az

ultrahangbesugárzást, és azt állapította meg, hogy a baktériumsejtek érzékenyebbek a h kezelésre, ha ultrahangnak is ki vannak téve. Hurst et al. (1995) javasolja a h kezelés ultrahangkezeléssel való szimultán alkalmazás elnevezésének a termoultraszonikáció kifejezést. Megállapította, hogy a termoultraszonikáció eredményesebben alkalmazható a sejtek elpusztítására, mint a h - vagy az ultrahangkezelés önálló alkalmazása.

2.6.6. Az ultrahang sejtbiológiai hatásait befolyásoló fizikai tényez k Az ultrahang sejtbiológiai hatásainak fizikai befolyásoló tényez i közül a legfontosabbakat az alábbiakban próbáltam rendszerezni. Számos fizikai, kémiai és biológiai befolyásoló tényez hat a hangtérben, amelyeknek ered je a sejtbiológiai hatás. Fontos e helyen leszögezni azt, hogy amennyiben a hangtér fizikai paraméterei megváltoznak, az a biológiai hatásokat kiváltó akusztikai jelenségeket alapvet en befolyásolhatja, melyek eredménye egy teljesen eltér biológiai hatás lehet. Aki ezeket a tényez ket nem ismeri vagy nem tudja befolyásolni (2.3.1. fejezet) és stabilizálni, az érdekes és nem mindig szívderít tapasztalatokra tehet szert az ultrahanggal kapcsolatban. Brayman et al. (1994) szerint a nagyobb átmér j sejtek kavitációra vonatkozó nagyobb érzékenysége annak eredménye, hogy a nagyobb sejtek nagyobb valószín séggel találkoznak a kavitációs buborékokkal. Blackshear és Blackshear (1987) a hemolízissel kapcsolatosan megfigyelték: ahogy a sejtméret csökkent, úgy sokkal nagyobb nyíróer volt szükséges a

sejtmembrán szétszakításához, s ez a tény is szerepet játszik az egyes sejtek közötti eltér ultrahang-érzékenységben. Veress és Vincze (1977), Loverock és ter Haar (1991) kimutatták a sejtkoncentráció fontosságát az in vitro szonolízisre. Ellwart et al. (1988) növeked

vörösvértestszámmal

relatíve csökken mérték sejthemolízist figyeltek meg. Nyborg et al. (1974) elméletileg és gyakorlatilag is bebizonyították, hogy a buborékok hidrodinamikai okokból vonzzák, rozettaszer en összegy jtik a szuszpendált sejteket. Brayman és Miller (1993) azt tapasztalták, hogy a buborékaktivitás elfojtódott a buborékok körüli sejtcsoportosulás, vagyis rozettaképz dés miatt, így megsz nt a kavitáció. Ezen túl a sejtek élettevékenységük, respirációjuk során felhasználják a potenciális kavitációs magnak min sül oldott oxigént, így növekedik a kavitációs küszöb. A respiráció gátlásával az ultrahang kavitációs aktivitása nem csökkent. Carstensen et al. (1993) azt tapasztalta, hogy a sejtroncsolás mértéke er teljesen csökkent a közeg viszkozitásának növekedésével. A viszkozitás hatással van a kavitáció nyíróerejére, buborékvándorlási aktivitásra és a tranziens kavitáció dinamikájára is. Szarvasmarhaeritrociták hemolízise fordított arányban függött össze a sejtkoncentrációval, amíg 0,5 százalék er s hemolízist mutatott, addig 5 százalékos koncentrációnál egyáltalán nem volt szonolízis. Kondo et al. (1988) kimutatta, hogy a közegben oldott gázok típusa és mennyisége befolyásolja a kavitáció sejtkárosító hatásának mértékét. Li et al. (1977b) és Raso et al. (1994) szerint a besugárzási h mérséklet befolyásolja a sejtek ultrahang-érzékenységét. A termoultraszonikáció szignifikánsan kisebb "D" értékeket ad, mint az önálló h -, vagy ultrahangkezelés. Petin et al. (1999) az ultrahangnak hipertermiával kombinált hatását tanulmányozták Saccharomyces

cerevisiae

diploid

sejtjeinek

inaktiválásával

kapcsolatban,

amelyre

matematikai modellt is alkottak. Meghatározták azt a h mérséklet-tartományt, ahol az éleszt re a két kezelés szinergista sejtroncsoló hatása érvényesül. Lillard (1993) kimutatta, hogy az ultrahang sejtroncsolási hatékonysága n

a klorid-vegyületekkel való szimultán

sugárzás alkalmazásával. Lee et al. (1989) azt tapasztalta, hogy azonos mikroorganizmusok ultrahang-rezisztenciája

különböz

élelmiszerekben

eltér .

Az

élelmiszerek

magas

zsírtartalma csökkenti az ultrahang citolitikus hatását, így fontos a közeg ultrahangabszorpciós, -reflexiós, -diszperziós képessége.

Ahmed és Russel (1975) azt tapasztalták, hogy a Gram-pozitív sejtek ellenállóbbak az ultrahangra, mint a Gram-negatív sejtek. Azért lehet így, mert a Gram-pozitív sejtek sejtfala vastagabb, mint a Gram-negatív sejteké, mivel vastag peptidoglikán-rétegeket tartalmaz. Feindt (1951) megfigyelései szerint a fiatalabb sejtek érzékenyebbek az ultrahang hatására, mint az id sebbek. Ez szintén a protoplazma vastagsága közötti különbségb l adódik. Sanz et al. (1985) kimutatta, hogy a spóraformák sokkal rezisztensebbek az ultrahangkezelésre, mint a vegetatív baktériumok. Petin et al. (1980) tapasztalatai szerint szimultán ultrahang-ionizáló sugárzás kezelések szinergista hatása érvényesül a stacioner fázisú Saccharomyces cerevisiae éleszt re. Ciccolini et al. (1997) alacsony frekvenciájú termoultraszonikáció hatását tanulmányozták Saccharomyces cerevisiae éleszt gombára, és azt állapították meg, hogy a magasabb h mérsékleten csökken a rezisztencia. 2.6.7. Az ultrahangsugárzás hatásának bemutatása

A 24. ábra egy in vitro ultrahang-besugárzás hatását mutatja Saccharomyces cerevisiae éleszt gombára. 24. ábra Éleszt gomba vitalitásának változása (A: kiindulási állapot; B: 210 másodperces kezelés utáni állapot (Forrás: L rincz, A., 2002))

(A)

(B)

Az ábrákon metilénkék vitális festés segítségével végzett él sejtszám-meghatározás eredménye látható. A kezeléseket 1117 kHz (1,117 MHz) frekvencián 9 W/cm2 teljesítmény mellett 20 °C-on végeztük 20 ml 5,37x107/ml szuszpenziókoncentráció mellett a 25. ábrán látható ultrahangrendszer és a 26. ábrán látható kezel edény segítségével. Segítségével mérhet a hangsebesség, az abszorpciós koefficiens folyamatosan, akár átfolyó rendszerben is, illetve a passzív mérésekkel párhuzamosan aktív ultrahang-besugárzás is történhet. Így folyamatosan elemezhet vé válik az aktív ultrahang hatása a kezelt, például biológiai

anyagokra. A m szerrel egyedülállóan vizsgálhatóak az egyes akusztikai jelenségek fizikai és biofizikai hatásai. 25. ábra Az ultrahangrendszer (vezérl és adatfeldolgozó komputer, ultrahang-er sít , frekvenciagenerátor, kezel edények (Forrás: L rincz, A., 2003))

26. ábra Ultrahang-kezel edény (Forrás: L rincz, A., 2003)

A metilénkékkel végzett vitális festés esetén a kék sejt pusztultnak tekinthet , mivel dehidrogenázokkal való reakciója folytán a festék az él sejtekben színtelenné válik. Látható, hogy a 210. percben az adott mikroszkóp látótér alatti sejtek 100 százaléka pusztultnak vehet , illetve nagy részükön világos foltok találhatóak, melyek a leszakadt sarjadzó sejtek, illetve

sejtfalkiszakadások

nyomai.

A

további

kezelés

az

éleszt gombasejtekb l

protoplazmacseppeket, majd sejttörmeléket alakít ki.

3. AZ ULTRAHANG EL ÁLLÍTÁSA Az ultrahangot rezgéskelt kkel állítjuk el . Ezek közül legáltalánosabb berendezésekként az elektromechanikus (elektromágneses, elektrodinamikus, magnetosztrikciós, piezoelektromos), aerodinamikus, hidrodinamikus és mechanikus átalakítókat ismerjük. Legelterjedtebbek az elektromechanikus átalakítók. Ezek f részei a generátor, amely a szükséges frekvenciájú váltakozó elektromos áramot termeli, illetve a sugárzó, amely a generátortól kapott elektromos energiát mechanikai rezgéssé alakítja át, és azt a vele érintkez közegnek átadja.

Az ólom (P)- cirkonát (Z)- titanát (T) (PZT) sugárzók a nagyteljesítmény sugárzókban a legelterjedtebb mesterséges piezoelektrikumok. A piezoelektromos sugárzó piezoelektromos tulajdonságú elemb l (1), elektródából, vagyis vákuumg zöléssel felvitt fémfegyverzetekb l (2) és tartókból (3) áll (27. ábra). 27. ábra Egytagú piezoelektromos sugárzó oldalnézete

M ködésük a piezoelektromos jelenségen alapul, frekvenciatartományuk a geometriájuk alapján a teljes ultrahangtartományt felöleli. Jacques és Pierre Curie 1880-ban felfedezték, hogy bizonyos anyagok poláris tengely

egykristályai tengelyirányban összenyomva

elektrosztatikusan feltölt dnek, mivel az egymással szemben lév kristályfelületek töltése eltér

el jel . 1881-ben Hankel nevezte el ezt a jelenséget piezoelektromosságnak a

szervetlen anyagokra. Ha piezoelektromos tulajdonságú anyagok felületére váltakozó feszültséget vezetünk, akkor mechanikai rezgésbe jönnek, amit negatív piezoelektromos hatásnak nevezünk. Fordított esetben pozitív piezoelektromos hatásról van szó, ha a piezoelektromos tulajdonságú anyag a felületére adott mechanikai er re elektromos feszültség ébredésével reagál (28. ábra). A jelenség fizikai magyarázata, hogy például a kvarc Si- és Oatomjai egy szabályos hatszög csúcsaiban helyezkednek el. Ha a rendszert úgy nyomjuk össze, hogy két szemközti sarkon elhelyezked Si- és O-atom közelebb kerül egymáshoz, az el bbi helyen az O-atomok negatív töltése, az utóbbi helyen a Si-atomok pozitív töltése jelentkezik. 28. ábra A piezoelektromos kristályrács (a) és a pozitív (b), valamint a negatív (c) piezoelektromos hatás sémája

A mesterséges piezoelektrikumok piezoelektromos tulajdonsága akár több, mint ötvenszer nagyobb, mint a természetes kvarcé, de a h mérséklet növekedésével a piezoelektromos

tulajdonságuk

csökken,

majd

a

Curie-ponton

depolarizálódnak.

A

mesterséges

piezoelektrikumokból (PZT, bárium-titanát) bármilyen alakú sugárzó kialakítható. Ilyen mesterséges piezoelektrikumok találhatóak az általunk alkalmazott speciálisan tervezett Langevin- és "szendvics" transzdúcerekben, illetve az ultrahangos fürd kben, valamint az élet bármely területén, így például a tintasugaras nyomtatóktól az öngyújtókig. A hagyományos PZT piezoelemek az anyagi specifikációjuk szerint a PZT jelölés utáni számozásból azonosíthatóak. Általában ipari és laboratóriumi céllal a PZT4 kerámiákat építjük be és alkalmazzuk az aktív ultrahang el állítására. A felhasználási céltól függ en legalább 1-t l 8-ig változik a számozás, illetve az egyes anyagok módosulatainak megfelel en a számozás után még további bet jelzések is találhatóak (PZT4D). A számozások más piezoelektromos

konstanst,

dielektromos

állandót,

elektromos

tulajdonságokat,

pl.

impedanciát, konverziós faktort stb. takarnak. A piezoelektromos elemeket a frekvenciájuknak megfelel

geometriával gyártják.

Kialakításuk szerint legnépszer bbek a kör alakú és négyszögletes lapok, de gyakran találkozni a gy r , cs , félgömb, gömb és egészen speciális kialakítású felületekkel is.

3.1. Az ultrahangtér modellezése Ma természetesen az adott célnak megfelel transzdúcerek és a rezg testek tervezésére és az ultrahangtér modellezésre speciális akusztikai szoftverek állnak már rendelkezésre. Ilyen modellez - és szimulátorszoftverek az ATILA, a WAVE2000, a WAVE2000Pro, az RFBEAM, a K-SPACE, a MATLAB program "SIMULINK" toolboxa alatt futó ULTRASIM stb. Általában ezek véges elemes programok, melyekben beállítható a sugárzó, a transzdúcer geometriája, anyagi, elektromos paraméterei, a hullámmód, a frekvencia, a hangtér összes paramétere, és ebb l a megadott számú pontban kalkulálják a hullámok terjedését, az elmozdulást, az akusztikai nyomás amplitúdót stb. Vannak közöttük programozható és menüvezérelt szoftverek is, de a legtöbb a hibridmegoldást támogatja, vagyis el re programozott anyagtulajdonságokat és akusztikai függvényeket tartalmaznak, melyeket ki lehet egészíteni, vagy át lehet írni (ULTRASIM, WAVE2000).

3.2. Az aktív ultrahangberendezések általános felépítése A modern ultrahang-berendezések aktív elemei tehát legtöbbször ólom-cirkonát-titanát (PZT) kerámiák. Természetesen rendeltetésüknél fogva ezeknek eltér a rezonancia- és m ködési

frekvenciája, a teljesítménye és a kialakítása. Általánosságban elmondható, hogy ahol magas felületegységre es teljesítményre (nagy amplitúdók, nagy terhelések) van szükség, ott az elektronikai er sítésen kívül mechanikai er sítést is igénybe veszünk (17. ábra). A múlt század közepét l ismertek az úgynevezett szendvics-, vagy Langevin-transzdúcerek (29. ábra). Ezek lényege, hogy az általában párosával alkalmazott piezokerámiák a tranaszdúcer (rezonátor) középs

részén találhatóak, és a kerámiák el tt és mögött a

funkciónak megfelel en tervezett kialakítású, méret és anyagú fémelemeket tartalmaznak, melyeket igen nagymértékben ráfeszítenek ezekre a kerámiákra, azaz el feszítenek egy csap segítségével. Az el feszítés által a transzdúcereknek csökken az elektromos impedanciájuk és a rezonanciafrekvenciájuk. 29. ábra Konvencionális transzdúcersémák (A: Langevin-, B: szendvics típusú)

A Langevin-sugárzókat legtöbbször nagy ultrahang-teljesítményt igényl fémtisztításra, nagyteljesítmény

zsírtalanításra,

tisztító- és pácolókádak meghajtására a mai napig is

sikeresen alkalmazzák. Ezeket a berendezéseket gyártjuk mi is leggyakrabban, kádszer és bármilyen speciális igénynek megfelel kivitelben.

3.3. Napjaink innovatív rezgéskelt i 1972-ben fedezték fel, hogy néhány polimer piezoelektromos tulajdonsággal rendelkezik. Napjaink legújabb rezgéskelt i a PVDF anyagok, amelyek bármilyen felületre felvihet ek mintegy paszta- vagy fóliaszer en, és ott rezgéseket indukálhatunk velük. A PVDF anyagok poli-vinilidén-fluorid és poli-vinil-fluorid (-CH2 -CF2-) lineáris szerkezet

szemikristályos

anyagok (polimerek), melyek 200 °C körül megmunkálhatók. A PVDF-fóliák vastagsága néhány tized (0,2-0,3) milliméter általában, és f leg az érzékeléstechnikában alkalmazzák tapintás- és h érzékelési szenzorként, mivel az érzékenysége az emberi b rhöz hasonló. UVsugárzásnak, ionizáló gammasugárzásnak kiválóan ellenállnak, és szerves oldószerekben jól oldódnak a PVDF-anyagok, emiatt könnyen felhordhatók a felületekre. A PVDF-anyagok alkalmazási területe lehet például a technikai berendezések burkolata, napcellák borítója, atomer m vekben alkalmazott alkatrészek csomagolóanyaga, élelmiszeripari bevonó-burkoló

anyagok, kábelszigetel k, ultra- és mikrosz r k, szenzorok, illetve extrém esetben a csontok felületi borítása stb. Megjelentek a piacon az úgynevezett kompozittranszdúcerek, melyek sok egymás mellé helyezett apró, polimerbe ágyazott PZT-elemb l állnak. Mindkét új típusú anyag és elrendezés

(PVDF,

kompozit)

érzékeléstechnológiákban

egyel re

(szenzorok)

leginkább

alkalmazott.

csak

Azonban

a

passzív várható,

ultrahangos hogy

egyes

alkalmazásokra (a kompozitok, melyek régi-új eljárásnak számítanak, mivel az 1900-as évek els felében már voltak erre próbálkozások, csak az automatizálhatóság alacsonyabb foka miatt "elfelejt dtek") az ultrahangtechnikában az új típusú anyagok betörnek az aktív felhasználásokhoz is. A kompozitról érdemes annyit megemlíteni, hogy a sok egymás mellé helyezett külön-külön szabályozható piezoelem egy egységes sugárzófelületként fogható fel (30. ábra). 30. ábra Kompozitkerámia

Emiatt a mindenki által jól ismert sugárzás közbeni interferenciajelenségek (2.1.3. fejezet, 5. ábra), abból is a térbeli gyengítések a kompozitokkal kiküszöbölhet ekké válnak, illetve járulékos fizikai elemek, mint például er sít oszlopok vagy parabolakoncentráló elemek stb. nélkül megoldható velük a hangsugár egy pontban történ egyesítése és irányítása is. A kompozitkerámiákban a piezoelemek közé tehát polimer anyagokat (m anyagokat) töltenek, melyek elektronikailag szigetelik egymástól az egyes elemeket. Ma már egyes világcégek jelentkeztek az úgynevezett "poreless", pórusmentes PZTkerámiákkal, melyeknek általában a legtöbb el z ekben említett tulajdonsága 30-50 százalékkal jobb, mint a hagyományos PZT-kerámiáké. Természetesen áruk egyel re a hatásfoknövekményük

többszöröse,

azonban

ennek

ellenére

bizonyos

speciális

alkalmazásokra, pl. a szonártechnikában - ahol így is a tervezési és kivitelezési költségek töredéke az aktív elem ára - szívesen alkalmazzák.

3.4. Sejtroncsolók Konkrétumra fordítva az eddigieket, nézzük meg milyen f ultrahangrendszerek!

A

laboratóriumi

elemekb l állnak az

sejtroncsoló-berendezéseink

frekvenciagenerátorból, elektromos er sít b l, összeköt

általában

kábelb l, szendvics típusú

transzdúcerb l, mechanikai er sít b l és titánhegyb l állnak (16. ábra). A mechanikai er sít feladata, hogy az elektromos er sít

által a piezoelemekhez juttatott intenzitás hatására a

transzdúcerben kialakuló amplitúdót, azaz az egy kontrakcióra, vagy depresszióra jutó utat tovább növelje, tehát egyre nagyobb felületegységre jutó intenzitások alakuljanak ki általa. Persze ennek ára van, mégpedig az, hogy egyre kisebb aktív felülettel fogunk rendelkezni az egyre nagyobb amplitúdók mellett. Ebb l a célból három legnépszer bb mechanikai er sít rúd terjedt el. Az egyik a "stepped horn", vagyis a lépcs zetes, a másik az exponenciális, a harmadik a trapéz alakú vagy egyenes er sít rúd (17. ábra). Mindhárom kialakítás különböz bármelyikkel

való

rezonanciafrekvenciát,

fizikai alapokon nyugszik, azonban elmondható, hogy határa van er sítésnek,

illetve

multiplikációs

az

anyagban

faktort,

valamint

kialakuló a

hullámhosszt,

közegek

közötti

akusztikaikeménység-eltérést mindenképpen figyelembe kell venni a tervezésnél, de még a felhasználásnál is!

3.4.1. Nagy teljesítmény ultrahangrendszerek Az ultrahangos gáztalanító és tisztítóberendezések frekvenciagenerátorból, er sít b l, tisztítókádból, illetve piezoelemekb l állnak (31. ábra). 31. ábra Az ultrahangos tisztítókád általános sémája

Az ultrahangos kádak jellegüknél fogva az el z berendezéseknél sokkal igénytelenebbek, egyszer bbek, azonban néha a speciális igényeknek megfelel tervezés kapcsán hosszú távon sokkal hatékonyabbak, megbízhatóbbak, mint a bonyolult kialakítású er sít rudakkal felszerelt laboratóriumi sejtroncsolótársaik. A f tésre például a zsírtalanításhoz általában azért van egyrészt szükség, hogy a speciális oldószerek könnyebben ki tudják fejteni hatásukat,

másrészt, hogy könnyen emulgeálódjon a zsír. A tisztítás úgy történik, hogy a feltapadt zsírt a fémfelületen a

kavitációs

buborékok

oldószereknek, ezután a zsírokat

megkezdik,

majd

emulzióban tartják,

hozzáférést

engednek

megóvva a fémet

az

a zsír

visszatapadásától.

3.5. Ultrahangrendszerek beszerzésével kapcsolatos következtetések Természetesen a szériaberendezéseket a saját szintjükön kell kezelnünk. Azt értem ezalatt, hogy egy katalógusból a céljainkhoz leginkább társítható berendezés kiválasztására van "csak" módunk, azonban a számunkra 100 százalékban szükséges kiválasztására gyakorta (szinte soha) nincs. Persze könny magyarázat erre, hogy nem lehet mindenki kedvéért más berendezést tervezni és gyártani, vagy hogyha mégis ez az igény, akkor a tisztelt vásárló jobb, ha mélyen a zsebébe nyúl. Ha például kizárólag gáztalanításról van szó, természetesen elegend

egy kis teljesítmény

laboratóriumi f tetlen ultrahangkád, amely szinte minden

laboreszköz-kereskedelmi cég kínálatában szerepel. Ha viszont komolyabb feladatot, például fémek tisztítását, emulgeálást, zsírtalanítást szeretnénk végezni, célszer felületegységre es

teljesítmény

ipari f thet

magasabb

berendezést vásárolni, speciális kavitátor-

tisztítószerekkel együtt. Azonban a nagyobb teljesítmény berendezések esetén már érdemes elgondolkodni a kommersz ipari berendezések helyett a célokhoz leginkább alkalmazható eszközök gyártatásáról. Véleményünk szerint a kommersz és a célra tervezett "ipari" ultrahang-berendezések alkalmazásának határa hazánkban a nagykonyhai, preparatív laboratóriumi vagy a kisüzemi méret, amelyt l felfelé jelent s pénzügyi megtakarításokat eredményezhet a specifikus alkalmazáshoz igazított tervezés és kivitelezés. Sok esetben fordulnak el hatékonyságbeli problémák a célokhoz képest alul- vagy túlméretezett kommersz berendezések következtében, melyek nemcsak pénzügyileg, de a kezelt anyagra nézve min ségileg is igen károsak. Emiatt azt tanácsolom, hogy f leg komolyabb berendezések vásárlásánál érdemes specialista véleményét kikérni. Amennyiben speciális méret , kialakítású vagy teljesítmény ipari és laboratóriumi ultrahangos gépek, berendezések beszerzésér l, kialakításáról van szó, akkor ma már érdemes velünk, a hazai ultrahang berendezésgyártókkal konzultálni és együttm ködni, mivel a világpiacon található ipari szériaberendezéseknél a céljainknak sokkal megfelel bb, ugyanolyan megbízható, garanciális, jóval kedvez bb árfekvés berendezések gyárthatóak már itthon is.

4. AZ ULTRAHANG ALKALMAZÁSAI 4.1. A passzív ultrahang A passzív felhasználási lehet ségek f leg az anyagvizsgálatokra, a fémekben, s t a kemény sajtokban és egyéb anyagokban lév

törések, repedések, anyaghibák kimutatására,

k zetüregek, barlangok felkutatására, olajipari alkalmazásokra, geológiai k zetek és talajrétegek

analízisére,

orvosi

képalkotó

eljárásokra,

napjainkban

a

szabadid s

tevékenységek területén a halfalkák felkutatására, hajózásban a szonártechnológiára koncentrálódnak. A mez gazdaság és élelmiszeripar is nagy sikerrel alkalmazza a vágóállatok min sítésére (EUROP), mely komoly szelekciós lehet séget jelent már a vágás el tt. Nem hétköznapi alkalmazás, de például az ultrahangot mikroszkópként is alkalmazzák. Ezen kívül egyre több cég jelenik meg a hazai piacon az ultrahangos áramlásmér kkel, vagy tartálybeli folyadékszintmér kkel, melyekkel a folyamatirányításba is belépett az ultrahang (32. ábra). A felhasználások jórészt az ultrahangsebesség mérésén alapulnak, különböz befolyásoltságok figyelembevételével. 32. ábra Ultrahang a folyamatirányításban (A: áramlásmér , B: szintmér )

A 32. A. ábrán adó-vev elven m köd áramlásmér sematikus ábráját tüntettem fel. Ebben az esetben a csövön lév mindkét transzdúcer el ször kibocsát egy rövid impulzust, majd vev

üzemmódban méri a szemben lév

transzdúcerbe való becsapódási id t. Magától

értet d en az áramlással szemben érkez impulzus késik, míg az azzal megegyez irányú pedig siet az áramlás nélküli hangsebességhez képest. A késési id a (7). egyenlet szerint: t1=(L/c+w) és t2=(L/c-w)

(7)

A képletben a (t) a hangimpulzus kibocsátásától a beérkezésig eltelt id tartam [s], (L) az úthossz [m], (c) a hangsebesség a mért anyagban [m/s], (w) pedig az áramlási sebesség [m/s]. Innen az áramlási sebesség a (8). egyenlet szerint:

w=L/2·[(1/t1)-(1/t2)]

(8)

Ezen kívül ismerünk még pulzus-visszhang (pulse-echo) és Doppler-áramlásmér ket is. A 32. B. ábrán pulzus-visszhang elven m köd tartálybeli szintmagasság érzékel szenzor sémája látható. A m ködési elvének lényege, hogy méri a kibocsátott és a beérkezett impulzus között eltelt id intervallumot, és mivel ismert a viv közeg hangsebessége, innen már könnyen meghatározható a szintmagasság, sebesség = út/id -> v = s/t -> ultrahangnál c = L/t, innen L = c·t elven, ahonnan a folyadékszint logikusan a mért L/2. Modern érzékelési technika még a Doppler-ultrahang is, ahol a Doppler-effektusnak megfelel en CW (continuous wave = folyamatos hullám) módon, különböz határfeltételek figyelembevételével mérhet

például a szervek, szövetek és egyéb objektumok mozgása

annak a régen alkalmazott megfigyelésnek a kapcsán, hogy a vizsgált pontnak a vev höz való közeledésénél n a vett frekvencia, a távolodásánál pedig csökken.

4.2. Az aktív ultrahang Napjainkban az aktív ultrahang felhasználási területeit maradéktalanul áttekinteni szinte lehetetlen, mivel sorra jelennek meg az egyre újabb és futurisztikusabb alkalmazásai. Ha mégis megpróbáljuk valamilyen rendszer szerint áttekinteni ezt a hihetetlen lendülettel fejl d tudományt, akkor a nagyobb alkalmazási területek szerint célszer rendszereznünk azt.

4.2.1. Az ultrahang biotechnológiai és élelmiszeripari szerepe 4.2.1.1. Emulziók el állítása, habtörés A biotechnológia és az élelmiszeripar f leg tisztításra, csírátlanításra, sejtanyagcseretermékek

kinyerésére,

plakkok

diszpergálására,

h -

és

anyagtranszport-folyamatok

gyorsítására, tartós emulzióképzésre (33. A. ábra) alkalmazza az ultrahangot. Ezen túlmen en kiterjedten

alkalmazzák

az

aktív

ultrahangot

keverésre

(11.

ábra),

szemcsék

szuszpendáltatására, fermentorok habtörésére (33. B. ábra), folyadékszivattyúként, szelektív szeparációra, a húsok pácolásának gyorsítására, sejtek térbeli rendszerbe hozására gélbe zárás céljára, húsok, csont vágására, a sz rés el segítésére, ultrahang-centrifugaként akár önálló, akár kombinált eljárásként.

33. ábra Biotechnológiai alkalmazások (A: nagy hatékonyságú emulzifikáló, B: fermentor habtör )

A 33. A. ábrán egy ultrahangos emulzióképz berendezés elvi sémája tekinthet meg. Látható az ábrán, hogy a két anyag egymással szemben lép be a rendszerbe, majd a középvonalon, az addigi áramlással mer leges ultrahangsugárban képz dik az emulzió. Több ultrahangos emulzió-el állító berendezéssel szemben a fenti sémának nagy el nye lehet, hogy az ultrahangsugár hosszabb távon érheti az anyagokat, így sokkal tartósabb emulziók készíthet k, mint egy olyan berendezésben, ahol az emulzifikálásra fordított úthossz kizárólag a transzdúcer mechanikai er sít je alatti területre koncentrálódik, amelyhez hasonlót az EU 0602577A1 számú szabadalma alapján publikáltak már hazánkban. A 33. B. ábra a biotechnológia egyik kardinális kérdését érinti. Minden biotechnológiai rektortípusnál, így a kever s, air lift, mamut stb. típusoknál, a mai napig probléma a habtörés. Ma leginkább nagy sebességgel forgatott habtör tárcsák, illetve a felületi feszültséget növel olajok terjedtek el a habzás csökkentésére. Minden alkalmazott megoldás magától értet d en specifikus

el nyökkel

és

hátrányokkal

rendelkezik,

így

például

igaz,

hogy

a

mikroorganizmusok szubsztrátként hasznosítják az olajokat, azonban ezekb l mindig újabb mennyiségek beadagolására van szükség a habzás megszüntetésére, tehát hosszú távon igen drága, mivel állandó költségnek számolható, illetve nem lenne szükséges jelenléte a fermentációhoz. Az olajos habzáscsökkentéshez még hozzátartozik, hogy megfelel adagolóés szabályozóberendezések kapcsolódnak a fermentációs rendszerhez, ami szintén drágítja a teljes rendszer bekerülését. A 33. B. ábrán felvázolt berendezés a fermentáció során keletkez

habot ultrahang

segítségével mintegy szétrobbantja a hangsugár alatt, melyet a habréteg felett egy félköríven mozgó szerkezeten helyeznek el. A készülék bekerülési árának és a felhasznált elektromos áramnak a teljes felépítmény bekerüléséhez és üzemeltetéséhez viszonyított alacsony költségein kívül semmilyen járulékos kiadással nem kell számolni az ultrahangos habtör alkalmazásakor, valamint nem kerül drága és felesleges idegen anyag a fermentlébe, illetve az

eszköz szervesen

beleilleszthet

a fermentációs eljárásba (tisztíthatóság

stb.)

is.

A fent bemutatott eljárás a fermentációs iparban hosszú távon innovatív, az ipari technológiát, illetve az oktatást támogató, hazánkban még nem elterjedt habtörési módszer.

4.2.1.2. Szeparáció, ülepítés Az ultrahang további biotechnológiai felhasználási lehet sége az emulziók és szuszpenziók ülepítésének gyorsítása (34. ábra). 34. ábra Emulzió és szuszpenzió szeparációja (disszociációja) ultrahanggal (A: emulzió, B: szuszpenzió-szeparáció)

Az Európai Unióban néhány évvel ezel tt több kutatóintézet és egyetem összefogásával EuroUltraSonoSep néven TMR programot indítottak a biotechnológiai diszperziódisszociáció ultrahangos megoldására, emulziók és szuszpenziók leválasztására, illetve szelektív akusztikai szeparációra. A programban különböz min ségi típusú, például él és holt, illetve eltér fajú sejtek szétválasztásának megoldása is cél volt (Benes et al., 1998). A program sikeresnekbizonyult, eredményeir l a legkülönböz bb ultrahang- és biotechnológiai szakfolyóiratokban, illetve konferenciákon meglehet sen sok publikáció látott napvilágot. A program eredményei hozzáférhet ek, azonban alkalmazásukat tekintve iparilag most vannak elterjed ben. Az eredmények alapján megjósolható, hogy az elkövetkezend

években

világszerte fellendülésre lehet számítani az ultrahangos ülepítési és a szeparációs technikában, mivel olyan nagy hatékonyságú berendezésekr l van szó, amelyekben mozgó alkatrész, illetve fizikai, kémiai, biológiai kontamináció nélkül végezhet el az ülepítés, a szeparáció, akár szelektív eljárásként is, folyamatosan id szakos leállások nélkül. A 34. A és B. ábrán sematikusan felvillantott technológiát f leg a szennyvíz, környezet-, illetve a fermentációs- és biotechnológiai ipar technológiai újításai iránt érdekl d k figyelmébe ajánlom, mivel a bekerülési költségeken, illetve a nem túlságosan jelent s

elektromosenergia-igényen kívül semmilyen járulékos költséggel nem rendelkeznek ezek a nagy hatékonyságú, folyamatos üzemben alkalmazható szeparációs és ülepítési technológiák. A 34. A és B. ábrán bemutatott technika lényege, hogy speciálisan tervezett akusztikai kamrában állóhullámot kialakítva történik meg az eltér

fizikai tulajdonságú közegek

szétválasztása, a viv közeghez képesti s r ség-, fajsúly-, kompresszibilitás-különbség, a geometriai részecske jellemz k és egyéb paraméterek alapján. A technológia által kihasznált jelenséget többek között már Bondy és Söllner (1935) és Tarnóczy (1963) is megfogalmazta korai munkájában. Ennek lényege, hogy az állóhullámú interferenciatérben összecsapódott anyagok közül, ha a diszpergált fázis fajsúlya kisebb a diszpergáló fázisénál, akkor az a kimozdulási csomósíkba koagulál, és a felhajtóer

egy bizonyos értéke felett a felszínre

vándorol, illetve fordított esetben a nyomási csomósíkba koagulál, és az aljzatra szedimentálódik. A 2.1.4. fejezetben leírt levitációnál azért nem érvényesült az ülepít

hatás, mivel az

akusztikai állóhullámban kialakult csomósíkon belül nem került be több anyag a gravitációval szembeni egyensúlyi tömegnél. A 2.4. fejezetben szintén utaltam már arra, hogy a szonolumineszcencia jelenségét mutató buborékok az állóhullám sebességi csomósíkjaiban csapdázódnak, mivel a fajsúlyuk kisebb a viv közegénél. Az akusztikai szeparációs rendszerek tervezése igen bonyolult és sok összefüggést vesz figyelembe, azonban ezáltal alkalmazásuk során igen megbízhatóak e berendezések. A 20. ábrán jól látható az akusztikai kavitáció és az állóhullám, mint a jelen alkalmazás kulcsjelenségének szemcsekoncentrációra vonatkozó határvonala modellanyagok esetén. A kavitációs határkoncentráció vizsgálatának eredményei alapján meghatározható, hogy milyen szemcsekoncentráció szükséges egy adott intenzitás mellett, vagy milyen intenzitás szükséges egy adott szemcsekoncentráció mellett az ultrahangtérben, hogy akusztikai állóhullám vagy akusztikai kavitáció alakulhasson ki. A vizsgálat folyománya, hogy amennyiben állóhullám van, illetve azt alakítok ki a rendszerben, akkor szeparáció és szedimentáció, amikor viszont kavitáció dominál a hangtérben, akkor keverés, emulgeálás és szuszpendálás valósítható meg az ultrahang segítségével. Ez a mérés pedig alapvet az ultrahang célirányos kiaknázása érdekében. Abban az esetben, ha a szükséges fizikai tényez ket optimalizáljuk, nagyon jól m köd berendezésekhez juthatunk, amelyek konkurensei és kiegészít i lehetnek bármilyen ma alkalmazott ülepítési technológiának. A szennyvízkezelés és a fermentációs ipar iránt érdekl d k számára újra felhívom a figyelmet, hogy mivel a technológiában nem található mozgó alkatrész, nincs felesleges kontamináció, nincs cserélend berendezési egység, nincs

felesleges segédanyag-felhasználás, illetve hatékonyságban bármely jelenleg alkalmazott folyamatos szeparációs eljárással felveszi a versenyt, és mivel viszonylag olcsó, ezért a világban az új id k befutója lehet e technológia. 4.2.1.2.1. Emulziók akusztikai szeparációja

A 34. A. ábrán megfigyelhet , hogy az emulzió egy csövön keresztül a berendezés fels részén áramlik be a rendszerbe, majd egy érkez

rezervoárba jut. Innen beáramlik az

akusztikai állóhullámtérbe, ahol az emulgeált anyag összecsapódik (koagulál) nagyobb cseppekké, és a viv - és az emulgeált fázis közötti fajsúlykülönbség miatt a felhajtóer a nagy méret cseppeket az akusztikai er térb l kiszakítva a felszínre emeli. Ez a felszínre vándorlás akkor következhet be, ha a koagulált emulgált anyag cseppjein ébred felhajtóer a cseppek méretének növekedése által meghaladja a cseppeket csapdázó akusztikai er tér nagyságát, amihez még hozzájárul az, hogy a cseppek koagulációjuk folytán túlnyúlnak, túlnövekednek a sebességi csomósíkok befogó határain. A beáramló diszperzióban lév emulgeált cseppek a készülékben való átáramlás id intervalluma alatt a felhajtóer által nem tudnak a felszínre vándorolni a hidrodinamikai áramlással szemben. Az akusztikai er tér felel a cseppek sebességi csomósíkokba rendezésért, majd a cseppek összecsapódásáért, továbbá a viszkózus er k egyensúlyozásáért - ami az áramlás kompenzálására szolgál -, a cseppek hangtérb l való kiáramlásának megakadályozásáért. Az apróbb emulgeált anyag cseppek ezáltal nem tudnak áthaladni a rendszeren, mert ezekre az akusztikai er tér állóhullámbeli er i intenzíven hatnak, mégpedig azok, amelyekr l a tanulmány els

részében, az akusztikai levitáció jelensége

kapcsán tettem említést. Miután az emulgeált anyag a felszínre vándorolt, az onnan leszivattyúzható, leereszthet , sz rhet , feldolgozható. A tisztított emulgeálószer a rendszer alsó részén távozik. Nagyon lényeges a transzdúcer és az akusztikai állóhullámtér között található h t víz. De miért is fontos ez? A magyarázat egyszer : ha a h mérséklet változik, akkor megváltozik az anyagok hangvezetési sebessége is, emiatt - mivel a frekvencia állandó - könnyen belátható, hogy változik a hullámhossz is. Márpedig ha változik a hullámhossz, akkor változik az állóhullám kialakulásához szükséges adó-reflektorfelület távolsága is. Amennyiben a h mérséklet változna, akkor a rendszer lelkének számító állóhullám összeomlana, vagy az emulzió cseppjeire (vagy diszperzió szemcséire) ható akusztikai er tér nagysága végzetesen lecsökkenne. Ha pedig lecsökkenne a cseppekre ható akusztikai er , akkor azok mindenféle koagulálás nélkül az eredeti állapotban, a tisztított emulgeálószer kitermelésére szolgáló alsó

kivezet csapon emulzióként távoznának. A h mérséklet változásakor vagy a beáramló anyag h mérsékletét kell visszaállítani a szükséges értékre, vagy a adó-reflektor távolságát kellene folyamatosan állíthatóvá tenni, mivel a frekvenciaállítás lehet sége a ma alkalmazott nagy teljesítmény , egy adott frekvenciára hangolt transzdúcereknél nem biztosított. Ez utóbbi elképzelés technológiai kialakítása megoldható, de nem kifizet d

megoldás. A stabil

h mérséklet tehát a rendszer egyik gyengesége lehetne, ha erre nem készülnénk fel technológiailag, annál is inkább, mert a transzdúcerek hatásfoka hozzávet leg 50 százalékos, vagyis a rákapcsolt teljesítmény fele rögtön h vé alakul. 4.2.1.2.1.1. A diszpergált részecskén ébred akusztikai er meghatározása Könnyebben belátható a h mérséklet-hangsebesség-hullámhossz részecskét csapdázó akusztikai er tér intenzitásának összefüggése az akusztikai állóhullámtérben található részecskén ébred

akusztikai sugárzási er

nagyságának meghatározásán keresztül. A

legújabb kutatások szerint a diszpergált részecskén állóhullámban ébred akusztikai sugárzási er meghatározására a legáltalánosabb a (9). képlet: Facoust=Ca·Ia·r3·sin(2kz·z)

(9)

A képletben a (Facoust) az akusztikai er részecskesugár, (kz) a hullámszám

(pN), (Ia) az akusztikai intenzitás, (r) a

, (Ca) a rendszer akusztikai tulajdonságaitól függ

konstans, (z) pedig a szeparátorkapilláris, vagy a kamra középtengelyét l mért távolság. Látható, hogy a hullámszámban szerepel a h mérsékletfügg befolyásolt hullámhossz

hangsebesség (c) által

.

A viszkózus és az akusztikai er egymásra ellentétesen hatnak, így az akusztikai er b l még le kell vonni a viszkózus er t. (Facoust-Fvisc). A viszkózus er meghatározásának a módja a (10). képlet szerint: Fvisc=Cv·v··r

(10)

ahol a (Cv) konstans a folyadék viszkozitásának a függvénye, illetve (v) a részecskék sebessége. Ha a teljes folyamatot vizsgáljuk, minden bizonnyal figyelembe kell még venni a gravitáció, a felhajtóer stb. hatását is a koagulált cseppekre. A rendszerben az akusztikai és a viszkózus er között a részecskén egyensúly jön létre. 4.2.1.2.2. Szuszpenziók akusztikai ülepítése

A 34. B. ábra egy ultrahangos szuszpenzióülepít berendezés elvi sémáját mutatja be. Erre a rendszerre is ugyanazok a fizikai törvényszer ségek érvényesek, mint az el z re (4.2.1.2.1.1. fejezet), mindössze annyi a különbség, hogy a szuszpendált részecskék a nyomási csomósíkban koagulálnak, illetve a készülék aljában szedimentálódnak, majd a koncentrált szuszpenzió leeresztése, eltávolítása, kitermelése innen történik meg. Látható, hogy ebben az esetben közvetlenül az akusztikai állóhullámtérbe vezetik be a nyers szuszpenziót, azonban azzal a disztinkcióval, hogy lamináris hidrodinamikai áramlás mellett a kialakult részecskepászmákra párhuzamosan történik meg a betáplálás. A párhuzamos betáplálás oka, hogy az akusztikai er tér által kialakított pászmák átfolyó rendszer berendezésben történ stabilizálása érdekében a hidrodinamikai er

által mozgatott nyers szuszpenziót nem

vezethetjük neki rögtön mer legesen a sávoknak, mivel azok rögtön feltörnének, a pászmák feltörése pedig az apróbb szuszpendált szemcsék reszuszpendálását okozná. A koagulált részecske halmazoknak folyamatosan n a fajlagos s r ségük és méretük a koncentrálódás során (6. ábra), emiatt az agglomerátum egyre nagyobb része nyúlik túl a csapdázó er vel bíró nyomási csomósíkon. A szemcséken ébred gravitációs er nek az akusztikai er nagyságát meghaladó mértékénél a csapdázott részecskékb l koncentrálódott szemcseagglomerátumok a készülékaljban kiülepednek.Hasonló kialakítású berendezésekkel a hidrodinamikai és akusztikai er tér fizikai kölcsönhatására a szemcsék röppályája alapján megoldható a szelektív szeparáció is. Ennek során eltér fizikai tulajdonságú (s r ség, viv közeghez és egymáshoz viszonyított kompresszibilitás-különbség, a geometriai felépítés, méret, alak, felület stb.) szemcséket tudunk konzekvensen elválasztani egymástól. Természetesen egy komplex diszperzió esetén megvalósítható a 34. ábra berendezéseinek kapcsolása is, ahol az emulgeált és a szuszpendált részecskék leválasztása sorba kapcsolt rendszerben történik.

4.2.1.3. A sejtek akusztikai stimulációja (szaporodás-, és termékképzés serkentés) Izgalmas új terület a sejtek fermentációs és szaporodóképességének fokozása ultrahang segítségével (33. A. ábra), melyr l számos jó színvonalú tudományos cikk született az elmúlt néhány évben, és többek között a mi kutatásaink is erre irányulnak. Kutatásaink során gyakran tapasztaltuk, hogy bizonyos (általában minden vizsgált sejttípus esetén más) intenzitású ultrahang-besugárzás serkent en hat egy adott sejttípusra. Izgalmas kérdés ez, mert az ultrahangot általában a csírák elölésére használjuk, és így például a szaporodásserkent stimuláló hatás váratlan, meglep eredmény lehet abban az esetben, ha a két hatás kialakulása között wattnyi, vagy még inkább akkor, ha milliwattnyi ultrahangintenzitás-különbség van.

Igaz az is, hogy ezek a hatások általában összefüggnek az ultrahangtérben tapasztalható akusztikai jelenségekkel, amelyek határzónája nagyon sok fizikai tényez t l függ, melyeket a tanulmány els

felében részletesebben tárgyaltam. Az akusztikai jelenségek (kavitáció,

állóhullám, akusztikai áramlás) küszöbértékében alapvet szerepet játszik a sejtkoncentráció (20. ábra), az oldottoxigén-szint, az oldott ionok mennyisége és min sége, a kavitációs magok típusa stb. Az is megfigyelhet , hogy egy bizonyos akusztikai jelenség, így például a stabil kavitáció mellett alacsonyabb intenzitás mellett stimuláló, míg magasabb intenzitásoknál (a tranziens határon) inkább a sejtroncsoló hatás érvényesül. 4.2.1.3.1. Stimulációs és gátló vizsgálatok

Pseudomonas aeruginosa baktériummal vizsgáltuk ezt az ultrahang-teljesítményt l függ stimuláló és pusztító (citolitikus) hatást, melyet még a mikroorganizmus koncentrációjával is összefüggésbe hoztunk (35. ábra). Az látható a 35. ábrán, hogy mind a magasabb (5,4·107/ml), mind az alacsonyabb (1,2·107/ml körüli) kiinduló csíraszámú minták esetében érvényesült a stabil kavitáció miatt az alacsonyabb, 6 W/cm2 ultrahang-teljesítmény mellett a serkent , míg a magasabb, 9 W/cm2 mellett a gátló, pusztító, citolitikus hatás. Ez azt jelenti, hogy az ultrahang segítségével kialakítható a szelektív fizikai kezelés, tehát eldönthet , hogy milyen irányú és milyen mérték sejtszámváltozás kívánatos egy adott sejttípus esetében, vagyis fajon belül. Nem lehet eléggé kihangsúlyozni, hogy micsoda gazdasági jelent sége van egy olyan fizikai kezelésnek, mely akár 10 százalékos hozamnövekményt eredményez a sejttömeg-képz dés sebességében, vagy a kihozatalban (SCP), vagy akár a termékképzésben vagy a szubsztrátkonverzióban. 35. ábra Él csíraszámok alakulása Pseudomonas aeruginosa baktérium esetén különböz ultrahang-intenzitású kezelés hatására stabil kavitáció mellett

Nagyon hasonló hatást tapasztaltunk a vet magok csírázási erélyének fokozása, illetve csökkentése kapcsán. Ebben az esetben még további vizsgálatok tárgyát képezi, hogy a tapasztalt csírázási erélybeli változások, vagyis a stimulációs hatás hosszú távon kódolódik-e a vet magvakban. Az ultrahang által stimulált vet magok, mint a vet magipar egyik nemesítést és agronómiát kiegészít eszközeként jöhetnek számításba a nagyobb használati érték megteremtése céljából. 4.2.1.3.2. Folyamatos és szakaszos akusztikai stimuláció 36. ábra Az ultrahang fermentációs alkalmazásai (A: on-line alkalmazás - forrás: Schläfer, O. et. al., 2000, B: batch alkalmazás)

Egy kisebb kitér erejéig visszatérve a biotechnológiához, tekintsük meg a 36. ábrát! A 36. A. ábra egy folyamatos ultrahang-besugárzó rendszert ábrázol, amit az el z ekben bemutatott szaporodó- és fermentációs képesség fokozására alkalmaznak. A szakirodalom szerint mind a szaporodásserkentésben, mind a fermentációs képesség fokozásában jelent s hatása van az ultrahangnak. Természetesen az alkalmazáshoz az adott biológiai rendszernek megfelel paramétereket kell biztosítani. Ezek a függ

változók a sejtkoncentráció, a valódi oldat

töménysége, a fermentlében kialakuló hangsebesség, az oldottgáz-tartalom, a kialakítandó akusztikai jelenség stb. Könny belátni, hogy akár a technológiai forgó gyorsulása, akár a kihozatalnak (SCP, anyagcseretermékek stb.) az el z ekben is említett akár 10 százalékos növekedése milyen gazdasági haszonnal jár, és ez milyen el nyt jelent versenyhelyzetben. A berendezésekben nincs mozgó, eltöm d , kopó, cserélend

alkatrész, illetve a nem túl

jelent s elektromosáram-szükségleten kívül semmilyen más állandó költség nincs. A 36. ábra alapján ez az eljárás alkalmazható akár folyamatos, akár szakaszos tölt -ürít rendszerben is. Megfontolandó szempont az is, hogy a rendszer kialakítható a 34. ábrán bemutatott szeparációs felépítmény szerves részeként, nem szeparációs, hanem cirkulációs módozatban.

Az élelmiszeriparban az ultrahang bizonyítottan alkalmazható továbbá az alkoholos italok érésének gyorsítására, így a sör- és boripar is egyre gyakrabban alkalmazza, mivel gyorsul a technológiai forgó, illetve a tárolókapacitás lekötöttsége. A 36. A. ábrán található h cserél nem a hangsebesség stabilizálását szolgálja, hanem a sejtek által termelt h elszállításáért felel. Ebben az esetben a hangsebesség nem lényeges, mivel a hatást az ultrahang magas intenzitása miatt kialakuló stabil, illetve tranziens kavitációs buborékok alakítják ki. Persze akkor, ha egy menetben történne a szeparáció, illetve az ülepítés, valamint a stimuláció, akkor az akusztikailag tervezett kamrától nem lehetne eltekinteni, azonban ebben az esetben a kamra geometriájának mindössze praktikus anyagtovábbítási funkciója van. A 36. A. ábrán látható folyamatos stimuláció a fermentor anyagáramába mellékágon kapcsolt, sterilizálható átfolyó kamrában történik meg. Az egyes sejteknek az ultrahang-kezel térben való tartózkodási id eloszlása jól meghatározható, ezért célzott dózisú kezelésben részesíthet az ismert mennyiség "sejthalmaz". Tulajdonképpen tehát ez is egy szakaszos fermentáció, csak a kezelés tehet így folyamatossá és jól tervezhet vé. A 36. B. ábrán a fermentorban helyezik el a sugárzót vagy transzdúcert, amely az intenzitástól függ mértékben a kavitáció hatására járulékosan kialakuló akusztikai áramlás segítségével keveri is a folyadékot. A keveredés hatására a kavitációs zónába kerül sejtek a tartózkodási id eloszlásuknak megfelel min ség és mérték sejtbiológiai hatásban részesülnek. Ebben az esetben is számítható a bejuttatott egy sejtre, vagy 1 milliliterre vett ultrahangdózis, amelyb l már a biológiai hatás meghatározható. Azonban a rendszer befolyásolása szempontjából sokkal jobban kézbentartható a 36. A. ábrán bemutatott elrendezés. 4.2.1.3.3. Az ultrahang biotechnológiai felhasználásaira vonatkozó következtetések

Látható, hogy az ultrahang a fermentációs iparokban alkalmas mind az up-stream, mind a down-stream m veletek támogatására. Az up-stream kategóriában nagyon lényeges a szaporodó- és a fermentációsképesség-fokozó, vagyis a stimuláló hatás, melynek kapcsán a szakirodalmak az eltér

vizsgálati

körülményekhez mérten különböz mérték stimulációs szintet (m veleti id ben, sejttömegkihozatalban, szubsztrátkonverzióban, termékképzésben stb.) mértek a kontrollmintákhoz képest, ami anyagilag óriási el nyt jelent az ultrahang alkalmazóinak a konvencionális technikai alkalmazásokhoz képest.

A down-stream m veletekben fontos szerepe van az ultrahangnak a sejtek és a fermentlé szétválasztásában (akár a fenti 34. ábra szerinti módokon), illetve a sejt bels anyagcseretermékeinek kinyerésében, a sejtroncsolásban vagy dezinficiálásban.

4.2.1.4. Az ultrahang néhány konkrét élelmiszer-ipari alkalmazása Az ultrahang alkalmazható a konzervek zárás el tti habzásának megszüntetésére, hasonlóan a fermentornál alkalmazott, 33. ábra szerinti módozathoz, vagy éppen ellenkez

irányból

alkalmazva más termékeknél a zárás el tti palackozás el tt álló termékek habosításra (37. ábra). 37. ábra Az ultrahang konzervipari alkalmazása habtörésre

Az élelmiszeriparban egyre elterjedtebb az ultrahangnak a cip k, csizmák és textíliák mosására, tisztítására, fert tlenítésére való alkalmazása. Használható továbbá a fagyott húsok felengedésére, tészták kelesztésének gyorsítására, helyiségfert tlenítésre, ipari ultrahangmosógépnek, rizs és más szemes termények mosására, valamint halhús fehérítésre. Újabban egyre

gyakrabban

alkalmazzák

savanyúságban

a

tejsavbaktériumok

(lactobacillus)

élettevékenységének serkentésére, egyes porított élelmiszerek nagy hatékonyságú szárítására, a h t gépek h tési teljesítményének növelésére, és egyéb élelmiszer-ipari m veletekre. Az ultrahangos szárítási eljárás az értékes komponenseket tartalmazó, általában porított, vagyis hozzávet leg 1 mm alatti szemcsékb l álló halmazok dehidratációjának, illetve oldószer-mentesítésének céljára a 33. B. és a 37. ábrán feltüntetett ultrahangrendszert alkalmazza. Az eljárás mind az élelmiszer-, mind a gyógyszer-, mind a vegyipari felhasználásokra vonatkozóan komoly lehet ségeket tartogat.

4.2.1.5. Az ultrahang sejtbiológiai hatásaira vonatkozó vizsgálatok

Mindössze élményszer en villantanám fel a 38. és a 39. ábrát, mint az aktív ultrahang egyik leggyakrabban

használt,

mondhatnánk,

hogy

legnépszer bb

alkalmazásának,

a

sejtroncsolásnak bemutatására. Korábban érint legesen utaltam erre az alkalmazásra, s t a 2426. ábrán feltüntettem néhány képet az általunk tervezett és gyártott berendezésekr l, valamint a kezelések eredményeir l. 38. ábra D értékek alakulása a kibocsátott ultrahang-teljesítmények függvényében 2 x 107/ml koncentráció mellett (Forrás: L rincz A., 2003)

39. ábra

Ezen a helyen a konkrét eredmények azon részét ismertetem, melyek az ultrahang globális, mindenki által hozzáférhet felhasználási lehet ségéhez, az akusztikai sejtroncsolás fizikai alapjainak megértéséhez és élményszer bbé tételéhez szükségesek, ahhoz, hogy megértsük, miért van nagy jelent sége a kezelés végeredményében a különböz

befolyásoló fizikai

tényez knek. Saccharomyces cerevisiae pékéleszt -szuszpenziót különböz kibocsátott teljesítményekkel kezeltünk 1,117 MHz frekvencián, és mértük a tizedelési id t (D). A tizedelési id intervallum (D) az a terminus, amely mellett a szuszpenzióban lév sejtek él sejtszáma a kiindulási tizedére csökken. Mivel ezt általában a fizikai kezelések esetében exponenciálisra vesszük, ezért ez az id ben egy állandó érték (log-normál diagramban egyenes), vagyis 107/ml-r l 106/ml-re ugyanannyi id alatt csökken a sejtszám, mint 101/ml-r l 100,1-ra. A mért él sejtszámokból a tizedelési id (D) meghatározása a következ [11-12]. képletek alapján történt:

Az egyenletben az (N) a túlél sejtek száma, melynek változása (t) id

alatt arányos a

mindenkori sejtszámmal, és ahol a (k) arányossági tényez a pusztulási sebességi együttható, vagyis a fajlagos pusztulási sebesség, (N0) a kezdeti sejtszám (t0) id pillanatban és (Nt) a túlél sejtszám (t) id pillanatban. A mikrobapopulációk pusztulásának alapegyenlete ([13]. képlet):

A [13]. egyenlet azonos az exponenciális szaporodás egyenletével, csak az együttható negatív el jel . A 38. ábra a Saccharomyces cerevisiae pékéleszt gomba D értékeit mutatja különböz kibocsátott ultrahang-teljesítmények mellett. A 38. ábrán látható, hogy a D, vagyis a tizedelési id érték a teljesítmény növekedésével fordított arányban változik. Azaz minél nagyobb teljesítményeket alkalmaztunk, annál kisebb D értékeket kaptunk.

Amennyiben egy másik faktort, a sejtkoncentrációt is figyelembe vettünk ennél a vizsgálatnál a tranziens kavitáció (2.3.2.1. fejezet) akusztikai jelensége mellett, úgy a 39. ábrát kaptuk. Jól megfigyelhet , hogy a sejtkoncentrációk és a D értékek egyenes arányban viszonyulnak egymáshoz az akusztikai kavitáció jelensége mellett. Tehát a D értékek az alkalmazott ultrahang-teljesítménnyel fordított, míg a sejtkoncentrációval egyenes arányban állnak. Azt is megfigyelhetjük, ha a 35. és a 38. ábrát gondosan szemügyre vesszük, hogy mindkét kezelt mikroorganizmus-faj esetében hatással volt a koncentráció, illetve az alkalmazott teljesítmény a sejtek túlélésére. Például figyeljük meg a 6 W/cm2 teljesítmény melletti kezelés hatását mindkét mikroorganizmus-fajra! Az összehasonlítás a közel azonos kiinduló csíraszámok, illetve a tranziens kavitáció jelensége miatt megtehet . Látható, hogy a Pseudomonas aeruginosa baktérium esetén serkent , míg a Saccharomyces cerevisiae éleszt gombánál gátló, roncsoló hatása van ennek a kezelési szintnek. A 2.6.6. fejezetben erre a hatásra természetesen találhatók biofizikai magyarázatok, azonban ebben az esetben mégis könny belátni, hogy amennyiben mindkét sejttípus jelen van a hangtérben a besugárzás alatt, úgy azokra azok egymáshoz viszonyított sejtszámának és az alkalmazott ultrahang-intenzitásnak a függvényében eltér serkent

(serkent

és gátló) hatások érvényesülhetnek. Ezek alapján pedig a

és gátló hatások célirányosan befolyásolhatóak, így kialakítható a fajok közötti

szelektív ultrahangkezelés is. A fenti példát követve tehát 6 W/cm2 teljesítmény mellett kiirtható az éleszt gomba a baktérium mell l, vagyis az egyik faj a másik mell l, ami nagyon fontos megfigyelés. Itt térek vissza még egyszer a koncentráció fontosságához, amely alapvet hatással van az ultrahangtérben kialakuló akusztikai jelenségekre. Abban az esetben, hogyha túl magas koncentrációt, vagy túl alacsony akusztikainyomás-amplitúdót (ultrahang-intenzitást) alkalmazunk, úgy leállhat a kavitáció, és akusztikai állóhullám alakul ki. Nézzük, ez milyen drasztikus eredménnyel jár a sejtroncsolás mérvadó viszonyszámára, a D értékre (40. ábra). Látható a 40. ábrán, hogy 9 W/cm2 teljesítmény mellett az éleszt gomba D értékei fordított arányban változtak az alkalmazott kiinduló sejtkoncentrációkkal az állóhullám akusztikai jelensége mellett. (A 39. ábrán az is látható, hogy a tranziens kavitáció mellett a kiinduló koncentrációkkal egyenes arányban változnak a D értékek, tehát az állóhullámmal ellentétesen, ami ismét egy szelekciós tényez .) Számunkra most azonban els sorban az a fontos, hogy az addigi kavitáció melletti 100 másodperc körüli D értékek (38. ábra) 1500 másodperc körülire növekedtek 2x107/ml koncentráció környékén (40. ábra) az állóhullám

kialakulásának következtében, ami egyszer en gondosabb odafigyeléssel, kísérletek, a laborvagy az ipari munka szakszer tervezésével kiküszöbölhet lenne, amennyiben sejtroncsolást folytatunk.

Tehát

sejtroncsolásnál

a

tranziens

kavitáció

hallható

hanghatásának

megfigyelésére kell törekednünk (21. ábra)! 40. ábra Állóhullám melletti tizedelési id k különböz sejtkoncentrációknál 9 W/cm2 mellett négy ismétlésb l Saccharomyces cerevisiae esetén (Forrás: L rincz A., 2003)

Ha megfordítom a kapott eredmények értelmezését, akkor elmondható, hogy a fermentáció során a hangtérben lév sejtek leválasztása, szeparációja állóhullám segítségével annál is inkább ajánlott (4.2.1.2. fejezet) az el z ekben vázolt technológiai el nyökön kívül, mert állóhullám során nem jelent s (0,5% alatti) a sejtek vitalitáscsökkenése. Ennek okai a ritkán el forduló sejtek általi akusztikaier vonal-átlépések, illetve a hangtérben eltöltött rövid tartózkodási id .

4.2.2. Az ultrahang kémiai alkalmazásai A kémia speciális területe a szonokémia, melyben speciális reakciókat, új reakcióutakat és reakciótermékeket nyerhetünk ultrahang hatására, és az eljárásokat pedig szonokémiai reaktorokban folytatjuk (41. ábra). A szonokémia tudományterületének napjainkban az egyik legnagyszer bb nemzetközi kutatója K. S. Suslick professzor. A szonokémia szakterületének XX. század elején történ hazai és nemzetközi megalapozásában a Nobel-díjas Szent-Györgyi Albert szegedi kutatói teamében kezd Greguss Pál professzor is alapvet szerepet játszott. A 41. ábra az általunk gyártott egyik nagyteljesítmény szonoreaktor alaptípusát mutatja be. A reaktorok alkalmasak a biológiai és kémiai iparban, illetve laboratóriumokban történ alkalmazásokhoz. Az objektív bevizsgálás természetesen minden egyes alkalmazásterületre,

mint egy új technológia bevezetésénél szükséges. A berendezések felhasználási területe lehet a mikroorganizmusok roncsolása, szaporodás serkentése, kémiai reakciók sebességének befolyásolása a kavitációs buborékok katalízishatásán keresztül, emulgeálás, szuszpendálás, molekuláris és makroszkopikus keverés stb. 41. ábra Szonokémiai reaktor

Az ultrahang f kémiai szerepe tehát a kavitációs buborékon kialakuló katalízis, vagyis a reakciók aktiválási energiájának csökkentése, szonokemikáliák kialakítása, reakciók gyorsítása, reakciópartnerek diszpergálása, diffúziós felület növelése és az enzimaktivitás szabályozása, preparatív termékek el állítása stb. Az ultrahang befolyásolja a biokémiai reakciók sejtbeli lefolyását, a biopolimerek kötéseit átalakíthatja szonokemikáliákon (például: H+ + OH-) és a mechanikai molekularoncsoló hatásokon keresztül (2.6.1. fejezet). Sugárzás hatására megváltozik a sejtmembrán permeabilitása, ionátereszt képessége is (2.6.4. fejezet).

4.2.2.1. A kristályosodási fok, valamint az anyagi min ség meghatározása ultrahanggal A fizikai kémia számára a kristályosodási fok meghatározására egyedülálló lehet séget biztosít az ultrahang. Az abszorpciós koefficiens és a hangsebesség ugyanis változik a kristályok, szemcsék méretének és hangtérbeli koncentrációjának az arányában. Így kalibráció után a kristályosodottságról információt kaphatunk. A kristályosodási fok a [14]. egyenlet szerint vizsgálható paraméter.

A képletben szerepl

(Q) a szilárd anyagnak a szabad rendszerben lév

számított

térfogataránya, ( ) a diszpergált fázis térfogataránya (v) a mért hangsebesség, (vs) extrapolált hangsebesség, ami olyan emulzióra (szuszpenzióra) vonatkozik, amely csak szilárd szemcséket (kristályokat) tartalmaz, (vl) pedig csak folyékony cseppeket tartalmazó emulzióra vonatkozó extrapolált hangsebesség. Magától értet d en itt egy bizonyos kristályosodó emulzióról van szó, nem különböz anyagok kalibrációjáról. Amennyiben kell nagyságú önbizalommal rendelkezünk, úgy számítással meghatározható a szuszpenziókra a hang sebessége is, a következ [15-17]. képletek segítségével, Urik (1947) [15]. egyenlete szerint:

A képletekben az ( i) az i-edik komponens térfogatmennyisége a keverékben, ( ) az adiabatikus kompresszibilitás, ( ) pedig a s r ség. Amennyiben két anyag alkotja a kétfázisú a rendszert, úgy a következ [18-20]. képletekhez jutunk:

A képletekben a ( (

1),

amely a (

2)

1)

a szuszpendálószer adiabatikus kompresszibilitása, melynek s r sége

adiabatikus kompresszibilitású (

2)

s r ség szilárd szemcsés anyagot

tartalmazza. Továbbá ( ) minden esetben a szuszpendált anyag térfogatmennyisége. A képletek a mai napig megállják a helyüket, a mért eredményekkel nagyon szoros egyezést mutatnak. Ugyanígy, vagy hasonló módon informálódhatunk egy fermentorban vagy bármilyen kémiai és bioreaktorban lejátszódó folyamatok dinamikájáról, azaz a sejtszám változásáról, a szubsztrátok konverziójáról, vagy éppen a termékképzésr l. 4.2.2.1.1. Anyagi min ség vizsgálatára irányuló gyakorlati mérések

Visszatérve az ultrahang aktív és passzív jellegére, szíves figyelmükbe ajánlok egy nagyon hatékony analitikai és anyagmin ség-befolyásoló hibrid eljárást. Az általunk kifejlesztett legújabb laboratóriumi berendezés segítségével (25-26. ábra) egyedülálló módon az aktív ultrahang-besugárzás mellett passzív módon mérhet

az abszorpciós koefficiens és a

hangsebesség is, méghozzá a teljes technológiai id intervallumot átfogó módon, vagyis

folyamatosan. Így az ultrahang anyagimin ség-befolyásoló aktív hatásáról paszszív mérés segítségével folyamatosan informálódhatunk. Továbbá amennyiben nem az ultrahang anyagmin ség-befolyásoló hatásának vizsgálata az elemzés célja, akkor az aktuális rendszerbeli változásokról kaphatunk információt, mint például az el z ekben említett kristályosodási fokról, sejttömegváltozásról, termékképzésr l stb. Az

egyik

alapmérésünk

segítségével

információt

kaptunk

a

hangsebesség

-

szuszpenziókoncentráció - mérési frekvencia összefüggésr l, mely a továbbiakban kalibrációként szolgál a fermentáció folyamán, így például az éleszt gombából történ SCP(Single Cell Protein) gyártás során kialakuló sejtszámváltozásról (42. ábra). 42. ábra Hangsebesség alakulása az alkalmazott frekvencia és Saccharomyces cerevisiae-koncentráció függvényében (Forrás: L rincz A., 2003)

A 42. ábrán jól megfigyelhet , hogy a mért hangsebesség a vizsgáló frekvenciával és a sejttömeg növekedésével egyenes arányban növeked tendenciát mutatott. Az egyes pontokat húsz mérési adat átlagaként kaptam, és a mért pontok elenyész szórást mutattak. A mért pontok segítségével ezután tökéletesen be lehet azonosítani egy fermentációs, kristályosodási vagy élelmiszer-ipari, fizikai-kémiai üzemállapotot, illetve még pontosabb összefüggést kaphatunk, ha inkább sok állapot sorozataként folyamatosan követjük a változást, illetve a tendenciákat. Ekkor összefüggéseiben szemlélhet a folyamat, és az egyes

frekvenciákkal "beazonosíthatóak" a folyamatban részt vev egyes anyagok, amelyeknek a változása így komplex módon folyamatosan követhet vé válik.

4.2.2.2. Ultrahang a galvanizálásban A galvanizáló iparban már nagyon régen ismert, bevált és széles körben alkalmazott eljárás az ultrahangos zsírtalanítás. A zsírtalanítás a 3.4.2. fejezetben ismertetett módon és mechanizmus szerint zajlik. Ma már természetesen nem alkalmazhatnak a tisztításra freont, viszont nagyon jó ultrahangos tisztítószerek állnak rendelkezésre, akár a különböz pH-val rendelkez

környezetben található tisztítandó anyagokhoz, akár az eltér

specifikus

körülményekhez szükségesek is. Azonban egy igen érdekes új ultrahang-felhasználás lehet a galvanizálás folyamatában a katódon, vagyis a bevonandó negatív töltés oldalra kapcsolt fémen történ redukció miatt képz d

hidrogénbuborékoknak az ultrahangos eltávolítása, melynek egyik akusztikai

eszközét a 43. ábra mutatja be. 43. ábra Mobil ultrahang-sugárzó egységek célra irányítható sugárnyalábok el állítására

A berendezések ezen túlmen en alkalmasak lehetnek minden olyan ultrahang-akusztikai feladatra, ahol a munka tárgya immobil, helyhez kötött és a kezel berendezést célszer mozgatni vagy igazítani a már bevált technológiához. Ilyen technológiák lehetnek az élelmiszer, szennyvíz, vegyipar, biológiai és egyéb iparok, melyek célszer en igénylik a nagy

teljesítmény ,

egyszer en,

biztonságosan

berendezéseket. Mivel a hazai magas szint

beépíthet tervez

nagy

teljesítmény

és egyetemi szint

ultrahang-

kísérleti, illetve

precíziós gyártó bázis adott, nyitva áll a lehet ség az ultrahang-technológia jöv beli alkalmazói számára az innováció irányában. Annak ellenére, hogy egy adott szakterületen számos magas szint

objektív szakirodalmi munka született, mégis szükségesnek tartjuk

minden egyes új innovatív technológia esetében az el vizsgálatok elvégzését az adott szituációban. Ezt azért tartjuk elengedhetetlenül fontosnak, mert számos ismeretlen empirikus tényez befolyásolhatja az új komplex technológiák hatékonyságát egy adott szituációban, így a hosszú távú bizalom és stabil együttm ködés csak a valós eredmények alapján történhet. Az ultrahang galvánipari alkalmazásának utóbbi célja tehát a kezelt fémtárgyon keletkezett hidrogénbuborékok eltávolítása. Azért van szükség a hidrogénbuborékoknak a felületr l való eltávolítására, mert ezek elektromosan szigetelik a fémfelületet az elektrolittól, vagyis az anódról érkez ionoktól, ami miatt azok egyenetlenül vonják be a felületet, tehát foltossá válik. Ez ellen az anyagot általában alternáló sínen helyezik el, mely mozgása során így megszabadul a gázbuborékoktól, és viszonylag egyenletesen szóródik a felület az átlagolódó elektromos mez miatt. Egyes esetekben pedig az elektrolitot cirkuláltatják a fémek körül, hasonló céllal. Az ultrahang alkalmazásával a buborékok eltávolítása, az elektrolit áramoltatása és kismértékben az anyag mozgatása is megvalósul, illetve az ultrahang a konvencionális technológiáknál sokkal egyszer bb, megbízhatóbb (nincs mozgó, kopó alkatrész), de legalább annyira hatékony megoldás.

4.2.2.3. A szonokémiával kapcsolatos következtetések Természetesen a szakterület hatalmassága megkívánná a téma b vebb tárgyalását, azonban ezt a fejezetet inkább bevezet , figyelemfelkelt

jelleggel ajánlom szíves figyelmükbe,

semmint hogy azt akarnám érzékeltetni, hogy "ennyi" a szonokémia lényege. Nem említettem meg többek között a szonokémiai reakciómodelleket, a kavitációs buborékok felületén lejátszódó kémiai folyamatokat, az elektrosztatikus töltések kavitációs buborékokon való rendez désének a molekulákra gyakorolt hatását, illetve rengeteg további érdekes és izgalmas adatot, befolyásoló faktort, amelyek felvillantásához a kés bbiekben érdemes lenne külön tanulmánnyal adózni.

4.2.3. Az ultrahangterápia legújabb módszerei Aktuális orvosi kérdés a korábban is említett hipertermia alkalmazhatósága a rákos sejtek elpusztítására az abszorpciós koefficiens miatti h mérséklet-emelkedés hatására kialakuló daganatsejt-fehérjék denaturálása alapján (23. ábra). A XX. század els felét l kezd d en próbálkoznak az in vitro és az emberi testbeli rákos sejtek ultrahangos elpusztításával. Csakhogy a dolog nem ilyen egyszer ! Ugyanis mi a rák? Sok-sok formája, megnyilvánulása, értelmezése van, így ez egy gy jt

kifejezés. Emiatt nem lehet általános rákgyógyításról

beszélni sem a fizikai, sem a kémiai terápiában. Azonban nem szabad figyelmen kívül hagyni a kis lépéseket, az egyes daganatos betegségek gyógyíthatóságát, ami csak csepp a tengerben, mégis sokaknak lehet megváltás. Néhány ilyen ultrahangos sikerr l szeretnék beszámolni a következ kben a teljesség igénye nélkül, azonban arra felhívva a figyelmet, hogy micsoda szenzációs sikertörténet küszöbén állunk, melyet az ultrahang-terápia, mint az aktív fizikai beavatkozások nagyon fontos zászlóshajója fémjelez.

4.2.3.1. Mágneses magrezonanciára (MR) alapozott ultrahangsebészet Néhány hónappal ezel tt jelentették be, hogy a SOTE-n rendelkezésre áll az els MR, azaz mágneses magrezonanciás képalkotás alapján számítógéppel vezérelt fókuszált ultrahangsugár segítségével m köd sugarának h

sebészeti berendezés, mely több transzdúcer egy pontra fókuszált

hatására kialakuló fehérjedenaturációja (kicsapódása) alapján pusztítja el a

daganatokat, melyek azután felszívódnak. Ennél a berendezésnél a m tét seb nélkül, ambulánsan végezhet úgy, hogy a sebész az MR-képen kijelöli a denaturálandó területeket, majd a sugár a környez szövetek túlmelegedése nélkül, on-line kontroll mellett a kijelölt területen koncentrálódva, azt hozzávet leg 30 °C-kal felmelegítve elvégzi a kezelést. Tehát ha futurisztikusan akarnék fogalmazni, ez azt jelenti, hogy miközben az emberi test egy teremben tartózkodik, azt folyamatosan átvilágítják, és nemcsak egy képet érzékelnek, hanem a térben, akusztikai energia segítségével be is avatkoznak a testbe. Ennek kapcsán a "szkenner" állandóan informálja az orvost, aki el re automatikusan beprogramozza a kezelés paramétereit, hogy hol tart a kezelés menete, illetve ha szükséges, akkor manuálisan vagy automatikusan közbe lehet avatkozni például a környez

szövetek túlmelegedésének

megel zése vagy a sugár térbeli pozicionálása érdekében. Eközben a páciensnek nincsenek fájdalmai, és a beavatkozás után azonnal elhagyhatja a kórházat, munkaképes, nincsen rajta vágás, és nincs fert zésveszély sem.

4.2.3.2. Magas intenzitású fókuszált ultrahang (HIFU) Az elmúlt sszel New Yorkban az ultrahang sejtbiológiai hatásaival kapcsolatban tartottam el adást, az Ultrasonic Industrial Association világszervezet éves konferenciáján, ahol többek között módom volt megismerni egy különleges hibrid ultrahang-alkalmazást, melyet a következ kben bemutatok. Az alkalmazás célja a prosztata ultrahang-diagnosztikára alapozott terápiás célú fókuszált ultrahangsugár alkalmazása a rákos szövetek kezelésére (44. ábra). 44. ábra Magas intenzitású fókuszált ultrahang (High Intensity Focused Ultrasound, HIFU) terápiás alkalmazása

Ebben az esetben is folyamatos kontroll mellett, vágás nélkül végezhet

a m tét nagy

pontossággal és igen jó hatékonysági mutatók mellett, csakúgy, mint az el z módszernél. Az el z

módszerhez viszonyított különbség abban áll, hogy itt a test átvilágítását nem

mágneses magrezonancia, hanem ultrahang segítségével végzik. Hasonlóan állandó beavatkozási lehet séget biztosít a módszer automatavezérlés lehet sége mellett. Szintén folyamatos a h mérsékletszkenner, illetve a testátvilágítás.

4.2.3.3. Génmanipuláció ultrahanggal Az ultrahang alkalmazható továbbá a szervezet célzott területére történ génbevitelre, szintén például a daganatos betegségek kezelése esetén. Ebben az esetben mikrobuborékokat és a beviend géneket, gyógyszereket tartalmazó anyagot juttatnak a szervezetbe, majd az adott célterületre történ

ultrahang-sugárzás segítségével ezeket a mikrobuborékokat, mint

kavitációs magokat felrobbantják, így a felsértett sejtmembránokon keresztül a gének és terapeutikumok sejtbe jutása biztosítottá válik, majd a sejtek regenerálódnak. Ezután a gén expresszálódik, kifejez dik, és a termelt fehérjéken (enzim stb.) keresztül kifejti hatását.

Hasonló technológiát alkalmaznak az in vitro ultrahangos génbejuttatásra, génmanipulációra, melyet szonoporációnak (sonoporation) neveztek el, amivel a bejuttatott gének hagyományos eljárásokhoz képesti expressziós hatékonyságát jelent sen sikerült megnövelni.

4.2.3.4. Általános terápiás ultrahang alkalmazások Fogk eltávolításra, illetve kozmetikai céllal mélymasszázsra széleskör en alkalmazzák az ultrahangot hazánkban is. Amerikában egyre elterjedtebb a kontakt ultrahangszike alkalmazása, melynek segítségével a vágás a hagyományos szikéhez hasonlóan történik, azzal a különbséggel, hogy itt a hanghullámok vibráltatják a pengét. Magas nyomású vízsugártechnológiához hasonló eljárás is létezik, ahol a vágást hanghullámok végzik, maga a szike pedig egy tompa vég fémpálca. A legtöbb ember által ultrahangos vesek zúzásnak ismert terápia is szóba kell, hogy kerüljön itt, azonban err l jó tudni, hogy általában legtöbbször nem ultrahanggal végzik, hanem kondenzátorok kisütésekor keletkez

parabolikus elemeken

fókuszált, egy pontban koncentrálódó lökéshullámokkal, töml kben lév

folyékony

közvetít anyagon át (45. ábra). 45. ábra Ultrahangos vesek zúzás

Az ultrahangos vesek zúzás lényege, hogy a fent említett (9-10. ábra) lökéshullámot (shock wave), folyadékkal töltött közvetít töml k segítségével egy pontra, vagyis inkább egy zónára koncentrálják. A lökéshullám a lágy szöveteken és a vizeleten keresztülhaladva az akusztikailag kemény k falba ütközik, ahol mint egy "virtuális kalapács", munkát végez, amelynek kapcsán a vesekövek bizonyos típusai kisebb szemcsékre esnek szét, majd a vizelettel távoznak.

4.2.4. Az ultrahang hétköznapi és háztartási felhasználásának lehet ségei Többek között ma a legtöbb tintasugaras nyomtató tintapatronjában is piezoelektromos kerámiákat alkalmaznak (actuatorokat). Alkalmazható továbbá az ultrahang a háztartási és ipari mosogatóban, a zsíros, odaégett szennyez dések eltávolítására, ékszerek tisztítására, ecsetmosásra, fagyott húsok felmelegítésére, inhalálásra, mosógépben, textilfehérítésre, autómosófejben, textilfest -berendezésben, ultrahangos f z lapban, szárítóban, autóról és más felületekr l való vízleperget ben, a használt tintasugaras és lézernyomtatóval nyomtatott lapokról való festékeltávolításra stb.

4.2.4.1. Ultrahangos hegesztés, forrasztás Bár nem hétköznapi, de egyre elterjedtebb alkalmazás az ultrahangos hegesztés és forrasztás (46. ábra). Az ultrahangos hegesztés és forrasztás lényege, hogy a két egyesíteni kívánt felületre nagy nyomással rápréselik az ultrahangos hegeszt fejet, ami a felületekre mer leges oszcillációja vagy dörzsölése miatt azokat felmelegíti. Ezáltal a kisebb olvadáspontú fém megolvad, körbeveszi a nagyobb olvadáspontút, és a m velet után a fém megfagyásával kialakul a kötés. 46. ábra Ultrahanghegeszt sémája

A témáról komoly tanulmányok születnek, hiszen nagyon gyorsan fejl d , igen széles körben alkalmazott technológiáról van szó, amely mind a hazai ipari felhasználók, mind a kutatók fantáziáját megmozgatja.

5. KÖVETKEZTETÉSEK, JAVASLATOK E cikksorozat megírásával számos aktívultrahang-alkalmazásra próbáltam rávilágítani. Törekedtem rá, hogy a leend és az aktuális laboratóriumi és ipari felhasználók, az elméleti ultrahang iránt érdekl d k és a szórakoztató tudományos irodalmakat kedvel k a szerteágazó igényeikhez mérten megtalálják a számukra legmegfelel bb gondolatokat, ötleteket, alkalmazásokat. Azt látni kell, hogy napjainkban ez a tudományág fellendül ben van, és az "aki kimarad, az lemarad" elven futva be kell látni, hogy hazánkban néhány fent említett technológia és m ködési mód kuriózumnak számít, és valószín leg az marad még huzamosabb id n keresztül is. Tudjuk, látjuk, érzékeljük, hogy világszinten soha nem látott versenyhelyzet alakult ki mind a globális tudományban, mind az ipari területeken. Be kell látnunk, hogy ma a fejl dés sebessége az egyedüli gátja, vagy az egyedüli sz k keresztmetszete a tudományos és technológiai versenynek, még akkor is, ha "csak kapkodjuk a fejünket" az újdonságokon az élet minden területén. Ennek a sz k keresztmetszetnek az oka nyugaton az innováció sebessége és az eredmények üzleti alapokon nyugvó hozzáférhet sége (hozzá nem férhet sége), hazánkban pedig a nagyon véges pénzügyi lehet ségek. Persze egyértelm , hogy csak az képes hatékony innovációra, akinek van mib l erre fordítani. Világszinten a K+F ráfordítások tekintetében els helyen Japán áll, amely 5% körül fordít a GDP-jéb l innovációra, míg második helyezett az USA 3,5-4%-kal, és harmadik az EU 3%kal. Magyarország világszinten az amúgy sem túl magas GDP-jéb l 0,8%-ot fordít erre, ami "testvérek között" sem túl sok. Az EU a kutatási és fejlesztési ráfordításokról szóló adatok nyilvánossá tétele után a "szívéhez kapott", és pánikszer gyorsasággal vetette magát a fokozódó nemzetközi versenybe (ide EU 5., oda EU 6. keretprogram) és kitalálta az ERA-t, ami tulajdonképpen szabad fordításban annyit jelent, hogy európai kutatási terület (European Research Area). Ennek lényege, hogy az eddig

igen

extenzíven

m köd

kutatásokat

megpróbálják

akár

helyileg,

akár

tevékenységüknél fogva bürokratikusan filozófiailag koncentrálni, majd célzottan ezekbe pumpálni a kutatási és fejlesztési pénzeket. Igen csúf hasonlattal élve megpróbálják az "egy négyzetméterre" fordított kutatási pénzeket a négyzetméterek számának csökkentésével arányaiban növelni. Ezáltal a következ statisztikai évben ki fog derülni, hogy az EU áll az els helyen az "egy négyzetméterre es " ráfordításokat nézve.

Ebb l amit nekünk világosan látni kell, az, hogy a kisebb intézeteknek, K+F cégeknek, illetve a központi projektekhez nem kapcsolódó témáknak nem fog jutni támogatás, akár tud valaki pályázatot írni, akár nem, ugyanis rajtuk fogják megspórolni a kiadásokat. Tehát amennyiben talpon akarunk maradni, lépni kell az EU központi vonulatainak irányába. Ez egyénre vagy cégre, intézetre bontva azt jelenti, hogy mivel ma sincs pénzünk fejleszteni, és holnap még ennyire sem lesz, ezért valami viszonylag nem drága, de mégis hosszú éveken keresztül kuriózumnak számító tevékenységbe kell vágni a fejszénket, amire kiváló lehet ség az aktív ultrahang alkalmazott tudománynak a bevezetése, akár a laboratóriumban, akár iparilag is. Cégünk, kutatócsoportunk konvencionális és speciális ultrahangberendezések tervezésével és kivitelezésével foglalkozik, gyártunk és forgalmazunk nagyteljesítmény

ultrahangos

zsírtalanítókat és tisztítókat kád és mobil beépíthet formában, galván- és élelmiszer-ipari, illetve laboratóriumi berendezéseket, a külföldi cégekhez képest kedvez bbárfekvésbenm az adott célnak megfelel kialakításban, és innovációs, K+F tevékenységben s bárkivel szívesen együttm ködünk. Forrás: LABINFÓ - laboratóriumi információs magazin (L rincz Attila (egyetemi tanársegéd, NYME): Az aktív ultrahang alkalmazása napjainkban)