Désintégration par ultrasons : mouillage, dissolution, dispersion
Les intégrateurs à ultrasons sont largement utilisés pour mouiller, disperser ou dissoudre des particules et des poudres dans des liquides. Les ultrasonicateurs haute performance génèrent d’intenses forces de cisaillement, qui brisent et fragmentent les agrégats, les agglomérats et les particules primaires jusqu’à une taille microscopique ou nanométrique. Le traitement uniforme des particules dans le champ de cavitation acoustique se traduit par une distribution étroite des particules et une surface de particules uniforme.
Les désintégrateurs à ultrasons et leurs applications
Les désintégrateurs à ultrasons délivrent d’intenses forces de cisaillement, qui produisent l’impact nécessaire sur les solides tels que les particules, les cristaux et les fibres pour les désagréger et les réduire à une taille ciblée, par ex. micrométrique ou nanométrique. Comparés à d’autres méthodes de désintégration telles que les mélangeurs à pales à fort cisaillement, les homogénéisateurs haute pression, les broyeurs à billes, les microfluidiseurs, etc., les désintégrateurs à ultrasons offrent des avantages majeurs.
Avantages des désintégrateurs à ultrasons
- Cavitation et cisaillement de haute intensité
- Traitement uniforme des particules
- Concentrations élevées en solides
- Pas de buses / pas de colmatage
- Aucun milieu de broyage (c.-à-d. billes) requis
- Montée en échelle linéaire
- Utilisation simple et sûre
- Facile à nettoyer
- Économe en temps et en énergie
Réacteurs à ultrasons à circulation pour la production industrielle en ligne de suspensions de nanoparticules.
Les fortes turbulences créées par la sonication augmentent le transfert de masse entre les phases et favorisent ainsi la dissolution des poudres ou les réactions chimiques hétérogènes. Cela fait des désintégrateurs à ultrasons l’outil privilégié pour intensifier des procédés tels que le broyage, la dispersion, l’émulsification et la dissolution.
Pour en savoir plus sur l’intensification des réactions chimiques par ultrasons (sonochimie) !
Applications des désintégrateurs à ultrasons
- Broyage et mouture
- Désagglomération et dispersion
- Émulsification
- Dissolution de poudres
- Amélioration du transfert de masse
- Réactions sonochimiques
Désintégrateurs à ultrasons pour la réduction de la taille des particules
Les désintégrateurs à ultrasons sont utilisés pour la réduction de la taille des particules et la distribution des particules, qu’il s’agisse d’une véritable comminution des particules primaires (appelée broyage) ou de la rupture d’agglomérats (appelée désagglomération / dispersion).
Distribution granulométrique et images MEB de Mg2Si avant et après broyage par ultrasons (UM). (a) Distribution granulométrique ; (b) image MEB avant broyage par ultrasons ; (c) image MEB après broyage par ultrasons dans 50% PVP–50% EtOH pendant 2 h.
source : Marquez-Garcia et al. 2015
Désintégrateurs à ultrasons pour le broyage et la mouture
La cavitation générée par ultrasons crée d’intenses forces de cisaillement et, par conséquent, des collisions interparticulaires. Les solides présents dans la suspension agissent comme milieu de broyage (comparables aux billes ou aux perles d’un broyeur à billes / à perles) : ils sont accélérés par les jets de liquide de cavitation, qui atteignent facilement des vitesses allant jusqu’à 180m/s. Lorsque les particules se heurtent à une vitesse aussi considérable, elles se brisent et éclatent en fragments de taille micrométrique et nanométrique. Les désintégrateurs à ultrasons peuvent même briser des particules primaires. Les réacteurs à ultrasons à cellule à circulation garantissent un traitement uniforme de toutes les particules, de sorte que le broyage par ultrasons aboutit à une distribution granulométrique étroite.
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Désintégrateurs à ultrasons pour la désagglomération et la dispersion
Les paramètres du procédé ultrasonore peuvent être contrôlés très précisément, de sorte que les désintégrateurs à ultrasons peuvent broyer des particules primaires lorsque des amplitudes élevées et une pression accrue sont appliquées. À l’inverse, les systèmes de désintégration par ultrasons peuvent également fonctionner à des amplitudes plus faibles et dans des conditions plus douces, de sorte que la structure et la surface des particules restent intactes, tandis que les agglomérats sont dissociés et que les particules individuelles sont réparties uniformément dans la suspension.
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Désintégrateurs à ultrasons pour l’émulsification
Lorsque deux liquides non miscibles (par ex. l’eau et l’huile) sont soumis à la sonication, la cavitation ultrasonore rompt les gouttelettes – produisant de très petites gouttelettes des deux phases non miscibles, qui sont ensuite mélangées. Comme les désintégrateurs à ultrasons produisent facilement des gouttelettes de taille nanométrique, les émulsions ultrasonores stabilisées présentent une stabilité à long terme et un aspect clair et transparent.
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Désintégrateurs à ultrasons pour la dissolution
Les désintégrateurs à ultrasons sont utilisés pour dissoudre des poudres et des comprimés selon une procédure rapide, simple et sûre. La cavitation générée par ultrasons érode la surface des solides et transporte les fragments érodés dans le liquide, produisant ainsi une solution homogène.
Dans l’industrie pharmaceutique, la dissolution de comprimés est une tâche quotidienne, par ex. à des fins analytiques. Lorsque des comprimés sont exposés à un environnement aqueux, le comprimé se dissout lentement, selon un processus très chronophage. Même avec un agitateur classique ou un agitateur à pales, la dissolution complète des comprimés reste chronophage. La cavitation ultrasonore et ses forces de cisaillement extraordinairement intenses détachent les particules du comprimé et les transportent dans le diluant, maintenant ainsi en continu le transfert de masse entre la surface du comprimé et le diluant frais et non saturé. La dissolution par ultrasons devient ainsi un procédé extrêmement rapide et efficace, qui contribue à accélérer la dissolution des médicaments.
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Comment fonctionne un désintégrateur mécanique ?
Les désintégrateurs à ultrasons de laboratoire utilisent le même principe mécanique que les désintégrateurs industriels. Les systèmes de mélange à désintégrateur désintègrent les agglomérats et les agrégats, solubilisent la matière solide ou dispersent des particules solides dans des mélanges liquides. La désintégration par ultrasons intègre une sonde à ultrasons de haute intensité dans une cuve de traitement par lots ou dans un réacteur à cellule à circulation en ligne. La sonde (sonotrode) du désintégrateur à ultrasons vibre dans le liquide à une fréquence très élevée et crée une cavitation ultrasonore intense dans le liquide. Chaque effondrement de bulle de cavitation produit de puissantes forces de cisaillement, qui brisent les agglomérats, les agrégats et même les particules primaires. En outre, la cavitation ultrasonore produit des courants de cavitation à grande vitesse pouvant atteindre 1000km/h. Les jets de liquide de cavitation frappent les agglomérats de particules, rompent les parois cellulaires, améliorent le transfert de matière au sein de la suspension et dispersent les solides dans tout le volume de liquide. Dans le champ de cavitation ultrasonore, les pressions alternent rapidement et de manière répétée entre le vide et jusqu’à 1000bar. Un mélangeur rotatif à 4 pales devrait tourner à la vitesse vertigineuse de 300 000 tr/min pour atteindre la même fréquence de cycles de pression alternés. Les mélangeurs rotatifs conventionnels et les mélangeurs rotor-stator ne créent pas de cavitation significative en raison de leur vitesse limitée.
Désintégrateur à ultrasons UIP2000hdT pour les dispersions de particules dans un réacteur en acier inoxydable
Désintégrateurs à ultrasons de laboratoire
Les appareils à ultrasons de type sonde sont un outil très utile dans tout laboratoire. Une sonde à ultrasons (également appelée sonotrode) est une tige en titane de géométrie simple et facile à nettoyer, qui transmet les vibrations ultrasonores dans un liquide. Hielscher fabrique des sondes et des embouts à ultrasons dans une large gamme de tailles. Pour la désintégration la plus courante de solides en laboratoire, les sondes à ultrasons de 3, 7, 14 ou 22mm de diamètre d’embout sont très utiles. D’autres tailles de sondes ainsi que des sondes à ultrasons sur mesure sont disponibles. Les appareils à ultrasons typiques pour la désintégration en laboratoire offrent de 100 à 400 watts de puissance ultrasonore.
Désintégrateurs à ultrasons industriels
Les désintégrateurs industriels Hielscher sont des processeurs à ultrasons de forte puissance conçus pour la désintégration continue et intensive de grands flux de suspension. Ces systèmes industriels traitent facilement des concentrations élevées en solides. Les sondes à ultrasons industrielles sont équipées d’une bride permettant de les monter sur des cuves en acier, des réacteurs en verre ou des récipients en plastique, dans n’importe quelle orientation. La mise sous pression de la cuve de sonication ou de la cellule à circulation intensifie la cavitation acoustique et donc le processus de sonication. Les équipements industriels typiques de désintégration par ultrasons offrent de 1000 à 16 000 watts de puissance ultrasonore par sonotrode.
Secteurs dans lesquels la désintégration par ultrasons est largement répandue :
- Dispersion, dissolution, mélange de formulations solide/liquide
- Science des matériaux
- Préparation d’échantillons avant analyse
- Applications des nanoparticules
- Fonctionnalisation de particules
- Réactions de transfert de phase
- Cristallisation / Précipitation
- Transformation alimentaire
- Industrie papetière
- Digestion de la biomasse
Comment acheter le bon désintégrateur à ultrasons ?
Hielscher Ultrasonics est un fabricant de longue expérience de désintégrateurs à ultrasons haute performance, utilisés pour disperser et briser des particules ou pour dissoudre des poudres dans des liquides. En tant que leader du marché, Hielscher conçoit, fabrique et distribue des désintégrateurs et homogénéisateurs à ultrasons, de l’échelle du laboratoire et de la paillasse jusqu’à l’échelle pleinement industrielle.
Nous vous aidons à répondre aux questions suivantes afin de trouver le désintégrateur à ultrasons le mieux adapté à votre application et à vos besoins :
- Quelle est votre application cible ?
- Quel est le volume typique à traiter ?
- Quels sont les facteurs critiques du procédé ?
- Quelles sont les normes de qualité à atteindre ?
Notre personnel bien formé et expérimenté vous assistera pour toutes vos questions et pour la conception de votre procédé. Hielscher Ultrasonics propose un conseil approfondi sur les procédés ultrasonores afin d’aider nos clients à trouver l’appareil à ultrasons optimal. Mais le service de Hielscher ne s’arrête pas là : nous formons nos clients, soit dans leurs installations, soit dans notre laboratoire de procédés ultrasonores et notre centre technique, afin de les accompagner lors du développement, de l’optimisation et de la montée en échelle des procédés.
Les processeurs à ultrasons industriels de Hielscher Ultrasonics délivrent facilement des amplitudes très élevées, nécessaires pour briser des particules et des agglomérats durs ou pour traiter des suspensions à forte concentration en solides. Les désintégrateurs industriels Hielscher peuvent fonctionner en continu avec des amplitudes allant jusqu’à 200µm en fonctionnement 24/7. Pour des amplitudes encore plus élevées, des sonotrodes à ultrasons sur mesure sont disponibles. D’autres accessoires tels que des cornets amplificateurs (booster horns), des cellules à circulation, des réacteurs de sonication et des installations complètes de recirculation sont immédiatement disponibles et permettent de configurer votre système à ultrasons selon les exigences de votre procédé.
Désintégrateurs et dissolveurs à ultrasons sophistiqués
Hielscher Ultrasonics se concentre sur des désintégrateurs haute performance alliant la plus grande convivialité et des avancées techniques de pointe. Cela signifie que les standards des désintégrateurs de laboratoire Hielscher s’alignent de plus en plus sur l’intelligence des machines industrielles. L’utilisateur peut commander les ultrasonicateurs numériques Hielscher à distance via un navigateur. Le logiciel d’enregistrement automatique des données consigne tous les paramètres ultrasonores importants, tels que la puissance nette, la puissance totale, l’amplitude, la température, la pression, l’heure et la date, sous forme de fichier CSV sur une carte SD intégrée. En outre, le désintégrateur à ultrasons peut être programmé pour s’arrêter automatiquement après une durée déterminée ou un apport d’énergie spécifique, ou pour exécuter des modes de sonication pulsée. Des capteurs de température et de pression enfichables permettent de suivre attentivement les conditions de l’échantillon. Le contrôle de la température des matériaux thermosensibles étant un facteur crucial pour la qualité des résultats du procédé, Hielscher propose diverses solutions pour maintenir la température du procédé dans la plage de température visée.
Les fonctions sophistiquées des ultrasonicateurs Hielscher garantissent le plus haut niveau de contrôle du procédé, des résultats de sonication fiables et reproductibles, la convivialité et le confort de travail.
Les processeurs à ultrasons industriels de Hielscher Ultrasonics peuvent délivrer des amplitudes très élevées. Des amplitudes allant jusqu’à 200µm peuvent facilement être maintenues en continu en fonctionnement 24/7. Pour des amplitudes encore plus élevées, des sonotrodes à ultrasons sur mesure sont disponibles. La capacité à fonctionner à des amplitudes aussi élevées permet à nos clients de broyer efficacement des particules primaires jusqu’à la taille nanométrique. La robustesse des équipements à ultrasons Hielscher permet un fonctionnement 24/7 en service intensif et dans des environnements exigeants.
Pour en savoir plus sur la dissolution par ultrasons et les dissolveurs !
Qualité – Made in Germany
En tant qu’entreprise familiale, détenue et dirigée par une famille, Hielscher est fière de la haute qualité de ses processeurs à ultrasons. Tous les ultrasonicateurs sont conçus, fabriqués et testés dans notre siège de Teltow, près de Berlin, en Allemagne. La robustesse des équipements à ultrasons Hielscher permet un fonctionnement 24/7 en service intensif et dans des environnements exigeants.
Vous pouvez acheter des désintégrateurs à ultrasons Hielscher dans toutes les tailles, et la gamme de prix offre un ultrasonicateur abordable adapté à votre budget. De la désintégration de particules dans de petits flacons de laboratoire à la désintégration en flux continu de suspensions en production industrielle, Hielscher Ultrasonics dispose du désintégrateur adapté à vos besoins ! Contactez-nous – nous serons heureux de vous recommander l’ultrasonicateur le mieux adapté !
Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasonicateurs :
| Volume du lot | Débit | Appareils recommandés |
|---|---|---|
| 1 à 500mL | 10 à 200mL/min | UP100H |
| 10 à 2000mL | 20 à 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 à 20L | 0,2 à 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 à 100L | 2 à 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 à 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | supérieur | cluster de UIP16000 |
Contactez-nous ! / Posez-nous vos questions !
Homogénéisateurs à ultrasons de forte puissance, de l’échelle du laboratoire à l’échelle pilote et industrielle.
Bibliographie / Références
- Pohl M.; Schubert H. (2004): Dispersion and deagglomeration of nanoparticles in aqueous solutions. International Congress for Particle Technology PARTEC 2004; Nuremberg, Germany.
- Thomas Leong, Muthupandian Ashokkumar, Sandra Kentish(2011): The Fundamentals of Power Ultrasound. – A Review. Acoustics Australia, 54 – Vol. 39 August 2011.
- Karl A. Kusters, Sotiris E. Pratsinis, Steven G. Thoma, Douglas M. Smith (1994): Energy-size reduction laws for ultrasonic fragmentation. Powder Technology, Volume 80, Issue 3, September 1994. 253-263.
- Renata Tomczak-Wandzel, Svetlana Ofverstrom, Regimantas Dauknys, Krystyna Mędrzycka (2011): Effect of Disintegration Pretreatment of Sewage Sludge for Enhanced Anaerobic Digestion. ENVIRONMENTAL ENGINEERING The 8th International Conference May 19–20, 2011, Vilnius, Lithuania.