Application des ultrasons de puissance au moyen de cornets à ultrasons

Les cornets ou sondes à ultrasons sont largement utilisés pour de multiples applications de traitement des liquides, notamment l’homogénéisation, la dispersion, le broyage humide, l’émulsification, l’extraction, la désintégration, la dissolution et la désaération. Découvrez les bases des cornets à ultrasons, des sondes à ultrasons et de leurs applications.

Cornet à ultrasons vs sonde à ultrasons

Souvent, les termes cornet à ultrasons et sonde à ultrasons sont employés indifféremment et désignent la tige ultrasonore qui transmet les ondes ultrasonores dans le liquide. D’autres termes utilisés pour la sonde à ultrasons sont cornet acoustique, sonotrode, guide d’ondes acoustique ou doigt ultrasonique. Techniquement, il existe toutefois une différence entre un cornet à ultrasons et une sonde à ultrasons.
Le cornet et la sonde désignent tous deux des éléments de ce que l’on appelle l’ultrasonicateur de type sonde. Le cornet à ultrasons est la partie métallique du transducteur ultrasonore, qui est excitée par des vibrations générées par effet piézoélectrique. Le cornet à ultrasons vibre à une fréquence donnée, p. ex. 20kHz, ce qui correspond à 20 000 vibrations par seconde. Le titane est le matériau privilégié pour la fabrication des cornets à ultrasons en raison de ses excellentes propriétés de transmission acoustique, de sa grande résistance à la fatigue et de sa dureté de surface.

La sonde à ultrasons est également appelée sonotrode ou doigt ultrasonique. Il s’agit d’une tige métallique, le plus souvent en titane, vissée sur le cornet à ultrasons. La sonde à ultrasons est un élément essentiel du processeur à ultrasons, qui transmet les ondes ultrasonores dans le milieu soniqué. Les sondes à ultrasons / sonotrodes sont disponibles sous différentes formes (p. ex. conique, à pointe, effilée ou sous forme de Cascatrode). Si le titane est le matériau le plus couramment utilisé pour les sondes à ultrasons, il existe également des sonotrodes en acier inoxydable, en céramique, en verre et en d’autres matériaux.

Comme le cornet et la sonde à ultrasons sont soumis en permanence à une compression ou à une traction pendant la sonication, le choix du matériau du cornet et de la sonde est déterminant. L’alliage de titane de haute qualité (grade 5) est considéré comme le métal le plus fiable, le plus durable et le plus efficace pour résister aux contraintes, pour maintenir des amplitudes élevées sur de longues périodes et pour transmettre les propriétés acoustiques et mécaniques.

La dissolution est une application courante du traitement par ultrasons. Cette vidéo montre la dissolution rapide de cristaux de sucre dans l’eau avec le UP200St de Hielscher.

Les ultrasonicateurs haute performance fonctionnent le plus souvent dans la plage de fréquences de 20–30kHz. À 20 kHz, la sonde à ultrasons est généralement une tige résonante d’une demi-longueur d’onde, qui se dilate et se contracte en permanence 20 000 fois par seconde. Les mouvements de dilatation et de contraction sont transmis sous forme d’ultrasons de haute puissance dans le milieu de traitement, c.-à-d. un fluide ou une suspension, afin de réaliser des applications telles que

• mélange à fort cisaillement par ultrasons
• broyage humide par ultrasons
• dispersion de nanoparticules par ultrasons
• nano-émulsification par ultrasons
• extraction par ultrasons
• désintégration par ultrasons
• rupture cellulaire et lyse par ultrasons
• dégazage et désaération par ultrasons
• sonochimie (sonosynthèse, sonocatalyse)

Comment fonctionnent les ultrasons de puissance ? – Le principe de fonctionnement de la cavitation acoustique

Pour les applications ultrasonores haute performance telles que l’homogénéisation, la réduction de la taille des particules, la désintégration ou les nanodispersions, des ultrasons de haute intensité et de basse fréquence sont générés par un transducteur ultrasonore et transmis dans un liquide par l’intermédiaire du cornet et de la sonde à ultrasons (sonotrode). Les ultrasons de haute puissance sont considérés comme des ultrasons dans la plage de 16–30kHz. La sonde à ultrasons se dilate et se contracte, p. ex. à 20kHz, transmettant ainsi respectivement 20 000 vibrations par seconde dans le milieu. Lorsque les ondes ultrasonores traversent le liquide, l’alternance de cycles de haute pression (compression) / basse pression (raréfaction / expansion) crée de minuscules cavités (bulles de vide), qui croissent au fil de plusieurs cycles de pression. Pendant la phase de compression du liquide et des bulles, la pression est positive, tandis que la phase de raréfaction produit un vide (pression négative). Au cours des cycles de compression-expansion, les cavités du liquide croissent jusqu’à atteindre une taille à laquelle elles ne peuvent plus absorber d’énergie. À ce stade, elles implosent violemment. L’implosion de ces cavités entraîne divers effets hautement énergétiques, connus sous le nom de phénomène de cavitation acoustique / ultrasonore. La cavitation acoustique se caractérise par de multiples effets hautement énergétiques, qui agissent sur les liquides, les systèmes solide/liquide ainsi que les systèmes gaz/liquide. La zone à haute densité d’énergie, ou zone de cavitation, est connue sous le nom de zone de point chaud (hot-spot) ; sa densité d’énergie est maximale à proximité immédiate de la sonde à ultrasons et décroît à mesure que la distance à la sonotrode augmente. Les principales caractéristiques de la cavitation ultrasonore comprennent des températures et des pressions très élevées apparaissant localement ainsi que les différentiels correspondants, des turbulences et des écoulements de liquide. Lors de l’implosion des cavités ultrasonores dans les points chauds ultrasonores, des températures allant jusqu’à 5000 Kelvin, des pressions allant jusqu’à 200 atmosphères et des jets de liquide atteignant jusqu’à 1000km/h peuvent être mesurés. Ces conditions exceptionnellement intenses en énergie contribuent à des effets sonomécaniques et sonochimiques qui intensifient de diverses manières les processus et les réactions chimiques.
Les principaux effets de l’ultrasonication sur les liquides et les suspensions sont les suivants :

• Fort cisaillement : Les forces de cisaillement élevées générées par les ultrasons perturbent les liquides et les systèmes liquide-solide, provoquant une agitation intense, une homogénéisation et un transfert de masse.
• Impact : Les jets de liquide et les écoulements générés par la cavitation ultrasonore accélèrent les solides dans les liquides, ce qui entraîne ensuite des collisions interparticulaires. Lorsque les particules entrent en collision à très grande vitesse, elles s’érodent, se fragmentent et sont finement broyées et dispersées, souvent jusqu’à l’échelle nanométrique. Pour les matières biologiques telles que les matériaux végétaux, les jets de liquide à grande vitesse et les cycles de pression alternés rompent les parois cellulaires et libèrent le contenu intracellulaire. Il en résulte une extraction très efficace des composés bioactifs et un mélange homogène de la matière biologique.
• Agitation : L’ultrasonication provoque de fortes turbulences, des forces de cisaillement et des micromouvements dans le liquide ou la suspension. La sonication intensifie ainsi toujours le transfert de masse et accélère de ce fait les réactions et les processus.

Les homogénéisateurs à ultrasons et les mélangeurs à fort cisaillement sont utilisés dans presque toutes les industries de transformation qui travaillent avec des liquides ou des suspensions. Les puissantes forces de cavitation ultrasonore créent une agitation intense, du cisaillement, la fragmentation des particules et un transfert de masse. Ainsi, les liquides sont homogénéisés, dispersés, émulsifiés, extraits, dissous et/ou des réactions chimiques sont initiées. Dans l’ensemble, l’ultrasonication est une méthode d’intensification des procédés qui augmente le rendement, améliore les taux de conversion et rend les procédés plus efficaces.
Les applications ultrasonores courantes dans l’industrie couvrent de nombreuses branches de l’agroalimentaire & de la pharmacie, de la chimie fine, de l’énergie & de la pétrochimie, du recyclage, des bioraffineries, etc. et comprennent les suivantes :

• synthèse de biodiesel par ultrasons
• homogénéisation des jus de fruits par ultrasons
• production de vaccins par ultrasons
• recyclage des batteries Li-ion par ultrasons
• synthèse de nanomatériaux par ultrasons
• formulation de produits pharmaceutiques par ultrasons
• nano-émulsification du CBD par ultrasons
• extraction de substances botaniques par ultrasons
• préparation d’échantillons par ultrasons en laboratoire
• dégazage des liquides par ultrasons
• désulfuration du pétrole brut par ultrasons
• et bien d’autres …

Cornets et sondes à ultrasons pour applications haute performance

Hielscher Ultrasonics est un fabricant et distributeur de longue expérience d’ultrasonicateurs de haute puissance, utilisés dans le monde entier pour des applications intensives dans de nombreuses industries.
Avec des processeurs à ultrasons de toutes tailles, de 50 watts à 16kW par appareil, des sondes de tailles et de formes variées et des réacteurs à ultrasons de différents volumes et géométries, Hielscher Ultrasonics dispose de l’équipement adéquat pour concevoir l’installation ultrasonore idéale pour votre application.
Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasonicateurs :