Ultrasons: Applications et processus

L'ultrasonication est une méthode de traitement mécanique qui crée une cavitation acoustique extraordinairement intense et des forces physiques connexes telles que des forces de cisaillement élevées et des différences de pression importantes. Ces forces générées par les ultrasons sont utilisées pour de nombreuses applications telles que le mélange, l'homogénéisation, le broyage, la dispersion, l'émulsification, l'extraction et les réactions sonochimiques.
Vous trouverez ci-dessous une sélection des applications et processus ultrasoniques les plus courants.

homogénéisation par ultrasons

Les homogénéisateurs à ultrasons réduisent les petites particules dans un liquide pour améliorer l'uniformité et la stabilité de la dispersion. Les particules (phase dispersée) peuvent être des solides ou des gouttelettes liquides en suspension dans une phase liquide. L'homogénéisation par ultrasons est très efficace pour la réduction des particules molles et dures. Hielscher fabrique des ultrasons pour l'homogénéisation de n'importe quel volume de liquide et pour le traitement par lots ou en ligne. Les appareils à ultrasons de laboratoire peuvent être utilisés pour des volumes allant de 1,5mL à environ 4L. Les appareils industriels à ultrasons peuvent traiter des lots de 0,5 à environ 2000L ou des débits de 0,1L à 20 mètres cubes par heure dans le développement de processus et dans la production commerciale.
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Dispersion et Désagglomération Ultrasonique

La dispersion et la désagglomération de solides dans des liquides est une application importante des ultrasons de type sonde. La cavitation ultrasonique/acoustique génère des forces de cisaillement élevées qui brisent les agglomérats de particules en particules individuelles dispersées. Le mélange de poudres dans des liquides est une étape courante dans la formulation de divers produits, tels que les peintures, les vernis, les produits cosmétiques, les aliments et les boissons, ou les produits de polissage. Les particules individuelles sont maintenues ensemble par des forces d'attraction de diverses natures physiques et chimiques, notamment les forces de van-der-Waals et la tension de surface des liquides. La technique des ultrasons permet de surmonter ces forces d'attraction afin de désagglomérer et de disperser les particules dans les milieux liquides. Pour la dispersion et la désagglomération des poudres dans les liquides, l'ultrasonication à haute intensité est une alternative intéressante aux homogénéisateurs à haute pression, aux mélangeurs à haut cisaillement, aux broyeurs à billes ou aux mélangeurs rotor-stator.
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ultrasons émulsification

Une large gamme de produits intermédiaires et de consommation, tels que les cosmétiques et les lotions pour la peau, les pommades pharmaceutiques, les vernis, les peintures et les lubrifiants et les carburants sont basés entièrement ou en partie sur des émulsions. Les émulsions sont des dispersions de deux ou plusieurs phases liquides non miscibles. Des ultrasons très intensifs fournissent un cisaillement suffisamment intense pour disperser une phase liquide (phase dispersée) en petites gouttelettes dans une seconde phase (phase continue). Dans la zone de dispersion, les bulles de cavitation en implosion provoquent des ondes de choc intenses dans le liquide environnant et entraînent la formation de jets liquides à grande vitesse (cisaillement élevé). L'ultrasonication peut être adaptée avec précision à la taille de l'émulsion cible, permettant ainsi la production fiable de micro-émulsions et de nano-émulsions.
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Ultrasons humide fraisage et rectification

L'ultrasonication est un moyen efficace pour le broyage humide et le micro-broyage de particules. Les ultrasons présentent de nombreux avantages, en particulier pour la fabrication de boues de taille superfine. Ils sont supérieurs aux équipements traditionnels de réduction de taille, tels que les broyeurs colloïdaux (par exemple, les broyeurs à billes, les broyeurs à perles), les broyeurs à disques ou les broyeurs à jet. Le broyage par ultrasons peut traiter des boues à haute concentration et à haute viscosité - réduisant ainsi le volume à traiter. Bien entendu, le broyage par ultrasons convient au traitement des matériaux de taille micrométrique et nanométrique, tels que les céramiques, les pigments, le sulfate de baryum, le carbonate de calcium ou les oxydes métalliques. En particulier, lorsqu'il s'agit de nanomatériaux, le broyage par ultrasons excelle dans ses performances, car ses forces de cisaillement à fort impact créent des nanoparticules uniformément petites.
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TiO2 séché par pulvérisation avant et après broyage par ultrasons

Désintégration et lyse des cellules par ultrasons

Le traitement par ultrasons peut désintégrer les matières fibreuses et cellulosiques en fines particules et briser les parois de la structure cellulaire. Une plus grande partie de la matière intracellulaire, comme l'amidon ou le sucre, est ainsi libérée dans le liquide. Cet effet peut être utilisé pour la fermentation, la digestion et d'autres processus de conversion de la matière organique. Après la mouture et le broyage, l'ultrasonisation rend une plus grande partie de la matière intracellulaire, par exemple l'amidon, ainsi que les débris de la paroi cellulaire, disponibles pour les enzymes qui transforment l'amidon en sucres. Elle augmente également la surface exposée aux enzymes pendant la liquéfaction ou la saccharification. Cela augmente généralement la vitesse et le rendement de la fermentation de la levure et d'autres processus de conversion, par exemple pour augmenter la production d'éthanol à partir de la biomasse.
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l'extraction par ultrasons des plantes

L'extraction des composés bioactifs stockés dans les cellules et les particules subcellulaires est une application largement utilisée des ultrasons à haute intensité. L'extraction par ultrasons est utilisée pour isoler les métabolites secondaires (par exemple, les polyphénols), les polysaccharides, les protéines, les huiles essentielles et d'autres principes actifs de la matrice cellulaire des plantes et des champignons. Adaptée à l'extraction des composés organiques par l'eau et les solvants, la sonication améliore considérablement le rendement des substances botaniques contenues dans les plantes ou les graines. L'extraction par ultrasons est utilisée pour la production de produits pharmaceutiques, de nutraceutiques/compléments nutritionnels, de parfums et d'additifs biologiques. Les ultrasons sont une technique d'extraction verte également utilisée pour l'extraction de composants bioactifs dans les bioraffineries, par exemple pour libérer des composés précieux des flux de sous-produits non utilisés formés dans les processus industriels. L'ultrasonication est une technologie très efficace pour l'extraction botanique à l'échelle du laboratoire et de la production.
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Sonochimique Application de Ultrasons

La sonochimie est l'application des ultrasons aux réactions et processus chimiques. Le mécanisme à l'origine des effets sonochimiques dans les liquides est le phénomène de cavitation acoustique. Les effets sonochimiques sur les réactions et les processus chimiques comprennent l'augmentation de la vitesse de réaction ou du rendement, une utilisation plus efficace de l'énergie, l'amélioration des performances des catalyseurs de transfert de phase, l'activation des métaux et des solides ou l'augmentation de la réactivité des réactifs ou des catalyseurs.
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Ultrasons Transestérification d'huile Biodiesel

L'ultrasonication augmente la vitesse de réaction chimique et le rendement de la transestérification des huiles végétales et des graisses animales en biodiesel. Cela permet de passer d'une production par lots à une production en flux continu et de réduire les coûts d'investissement et d'exploitation. L'un des principaux avantages de la fabrication de biodiesel par ultrasons est l'utilisation d'huiles usées telles que les huiles de cuisson usagées et d'autres sources d'huile de mauvaise qualité. La transestérification par ultrasons peut convertir même les matières premières de faible qualité en biodiesel de haute qualité (ester méthylique d'acide gras / FAME). La fabrication de biodiesel à partir d'huiles végétales ou de graisses animales implique la transestérification catalysée par une base d'acides gras avec du méthanol ou de l'éthanol pour donner les esters méthyliques ou éthyliques correspondants. L'utilisation d'ultrasons permet d'obtenir un rendement en biodiesel supérieur à 99 %. Les ultrasons réduisent considérablement le temps de traitement et le temps de séparation.
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Dégazage et désaération des liquides par ultrasons

Le dégazage des liquides est une autre application importante des ultrasons de type sonde. Les vibrations et la cavitation ultrasoniques provoquent la coalescence des gaz dissous dans un liquide. Lorsque les minuscules bulles de gaz coalescent, elles forment des bulles plus grosses qui flottent rapidement à la surface du liquide d'où elles peuvent être retirées. Ainsi, le dégazage et la désaération par ultrasons peuvent réduire le niveau de gaz dissous en dessous du niveau d'équilibre naturel.
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Fil à ultrasons, câble et nettoyage bande

Le nettoyage par ultrasons est une alternative écologique pour le nettoyage des matériaux continus, tels que les fils et les câbles, les bandes ou les tubes. L'effet de la puissante cavitation ultrasonique élimine les résidus de lubrification comme l'huile ou la graisse, les savons, les stéarates ou la poussière de la surface du matériau. Hielscher Ultrasons propose différents systèmes à ultrasons pour le nettoyage en ligne des profilés continus.
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Principe de fonctionnement et utilisation du traitement par ultrasons

L'ultrasonication est une technologie de traitement commerciale, qui a été adoptée par de nombreuses industries pour la production à grande échelle. La fiabilité et l'évolutivité élevées, ainsi que les faibles coûts de maintenance et la haute efficacité énergétique font des processeurs à ultrasons une bonne alternative aux équipements traditionnels de traitement des liquides. Les ultrasons offrent d'autres possibilités intéressantes : La cavitation - l'effet de base des ultrasons - produit des résultats uniques dans les processus biologiques, chimiques et physiques. Par exemple, la dispersion et l'émulsification par ultrasons permettent de produire facilement des formulations stables de taille nanométrique. De même, dans le domaine de l'extraction botanique, les ultrasons constituent une technique non thermique pour isoler les composés bioactifs.

Alors que les ultrasons de faible intensité ou de haute fréquence sont principalement utilisés pour l'analyse, les essais non destructifs et l'imagerie, les ultrasons de haute intensité sont utilisés pour le traitement des liquides et des pâtes, où des ondes ultrasonores intenses sont utilisées pour le mélange, l'émulsification, la dispersion et la désagglomération, la désintégration des cellules ou la désactivation des enzymes. Lors de la sonication de liquides à des intensités élevées, les ondes sonores se propagent dans le milieu liquide. Il en résulte une alternance de cycles de haute pression (compression) et de basse pression (raréfaction), dont la vitesse dépend de la fréquence. Pendant le cycle de basse pression, les ondes ultrasonores de haute intensité créent de petites bulles de vide ou des vides dans le liquide. Lorsque les bulles atteignent un volume tel qu'elles ne peuvent plus absorber d'énergie, elles s'effondrent violemment au cours d'un cycle de haute pression. Ce phénomène est appelé cavitation. Pendant l'implosion, des températures (environ 5 000 K) et des pressions (environ 2 000 atm) très élevées sont atteintes localement. L'implosion de la bulle de cavitation entraîne également des jets de liquide dont la vitesse peut atteindre 280 mètres par seconde.

La cavitation ultrasonique dans les liquides peut provoquer un dégazage rapide et complet ; initier diverses réactions chimiques en générant des ions chimiques libres (radicaux) ; accélérer les réactions chimiques en facilitant le mélange des réactifs ; améliorer les réactions de polymérisation et de dépolymérisation en dispersant les agrégats ou en rompant de façon permanente les liaisons chimiques dans les chaînes polymères ; d'augmenter les taux d'émulsification ; d'améliorer les taux de diffusion ; de produire des émulsions très concentrées ou des dispersions uniformes de matériaux de taille micrométrique ou nanométrique ; de faciliter l'extraction de substances telles que les enzymes des cellules animales, végétales, de levure ou bactériennes ; d'éliminer les virus des tissus infectés ; et enfin, d'éroder et de décomposer les particules sensibles, y compris les micro-organismes. (cf. Kuldiloke 2002)

Les ultrasons de haute intensité produisent une agitation violente dans les liquides de faible viscosité, ce qui peut être utilisé pour disperser des matériaux dans les liquides. (cf. Ensminger, 1988) Aux interfaces liquide/solide ou gaz/solide, l'implosion asymétrique des bulles de cavitation peut provoquer des turbulences extrêmes qui réduisent la couche limite de diffusion, augmentent le transfert de masse par convection et accélèrent considérablement la diffusion dans des systèmes où le mélange ordinaire n'est pas possible. (cf. Nyborg, 1965)