Traitement par ultrasons des liquides, des suspensions et des réactions chimiques

La sonication est une méthode de traitement mécanique qui génère une cavitation acoustique et des forces physiques très intenses. Les ultrasons sont donc utilisés dans de nombreuses applications, telles que le mélange, l’homogénéisation, le broyage, la dispersion, l’émulsification, l’extraction, le dégazage et les réactions sonochimiques.

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Homogénéisation par ultrasons

Les homogénéisateurs à ultrasons réduisent la taille des petites particules dans un liquide afin d’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 réduire la taille des particules tendres et dures. Hielscher fabrique des appareils à ultrasons pour l’homogénéisation de tout volume de liquide et pour le traitement par lots ou en ligne. Les appareils à ultrasons de laboratoire peuvent être utilisés pour des volumes de 1,5mL à environ 4L. Les appareils à ultrasons industriels peuvent traiter des lots de 0,5 à environ 2000L ou des débits de 0,1L à 20 mètres cubes par heure, lors du développement de procédés et en production commerciale.
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Dispersion et désagglomération par ultrasons

La dispersion et la désagglomération de solides dans des liquides constituent une application importante des appareils à ultrasons à sonde. La cavitation ultrasonore / acoustique génère des forces de cisaillement élevées qui fragmentent les agglomérats de particules en particules individuelles dispersées. Le mélange de poudres dans des liquides est une étape courante de la formulation de divers produits, tels que les peintures, les vernis, les produits cosmétiques, les aliments et 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 superficielle des liquides. La sonication surmonte ces forces d’attraction afin de désagglomérer et de disperser les particules dans les milieux liquides. Pour la dispersion et la désagglomération de poudres dans des liquides, la sonication de haute intensité constitue une alternative intéressante aux homogénéisateurs haute pression, aux mélangeurs à fort cisaillement, aux broyeurs à billes ou aux mélangeurs rotor-stator.
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Émulsification par ultrasons

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, les lubrifiants et les carburants, repose entièrement ou partiellement sur des émulsions. Les émulsions sont des dispersions de deux ou plusieurs phases liquides non miscibles. Les ultrasons de très haute intensité fournissent un cisaillement suffisamment intense pour disperser une phase liquide (phase dispersée) sous forme de petites gouttelettes dans une seconde phase (phase continue). Dans la zone de dispersion, l’implosion des bulles de cavitation provoque des ondes de choc intenses dans le liquide environnant et entraîne la formation de jets liquides à grande vitesse (fort cisaillement). La sonication peut être adaptée précisément à la taille des gouttelettes visée dans l’émulsion, permettant ainsi de produire de manière fiable des microémulsions et des nanoémulsions.
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Broyage humide et broyage fin par ultrasons

La sonication est un moyen efficace de réaliser le broyage humide et le microbroyage des particules. Les ultrasons présentent de nombreux avantages, en particulier pour la fabrication de suspensions de particules ultrafines. Ils sont supérieurs aux équipements traditionnels de réduction granulométrique, tels que les broyeurs colloïdaux (par exemple les broyeurs à boulets et les broyeurs à billes), les broyeurs à disques ou les broyeurs à jets. La sonication peut traiter des suspensions fortement concentrées et très visqueuses – réduisant ainsi le volume à traiter. Bien entendu, le broyage par ultrasons convient au traitement de matériaux micrométriques et nanométriques, tels que les céramiques, les pigments, le sulfate de baryum, le carbonate de calcium ou les oxydes métalliques. La sonication se distingue particulièrement par ses performances dans le traitement des nanomatériaux, car ses forces de cisaillement très puissantes créent de petites nanoparticules de taille uniforme.
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TiO2 séché par atomisation avant et après broyage par ultrasons

Désintégration et lyse cellulaires par ultrasons

Le traitement par ultrasons peut désintégrer les matières fibreuses et cellulosiques en fines particules et rompre les parois de la structure cellulaire. Cela libère davantage de matière intracellulaire, telle que l’amidon ou les sucres, dans le liquide. Cet effet peut être utilisé pour la fermentation, la digestion et d’autres procédés de conversion de la matière organique. Après le broyage, la sonication rend davantage de matière intracellulaire, par exemple l’amidon, ainsi que les débris de parois cellulaires accessibles aux enzymes qui convertissent 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 par les levures et d’autres procédés de conversion, par exemple pour accroître la production d’éthanol à partir de biomasse.
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Extraction de substances végétales par ultrasons

L’extraction de composés bioactifs stockés dans les cellules et les particules subcellulaires est une application largement répandue des ultrasons de 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 de composés organiques à l’eau et aux solvants, la sonication améliore considérablement le rendement d’extraction des substances végétales contenues dans les plantes ou les graines. L’extraction par ultrasons est utilisée pour produire des produits pharmaceutiques, des nutraceutiques / compléments alimentaires, des substances parfumantes et des additifs biologiques. Les ultrasons constituent une technique d’extraction écologique également utilisée pour extraire des composants bioactifs dans les bioraffineries, par exemple pour libérer des composés précieux à partir de flux de sous-produits non valorisés issus de procédés industriels. La sonication est une technologie très efficace pour l’extraction de substances végétales à l’échelle du laboratoire et de la production.
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Application sonochimique des ultrasons

La sonochimie est l’application des ultrasons aux réactions et aux procédés 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 procédés chimiques comprennent l’augmentation de la vitesse ou du rendement des réactions, 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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Transestérification par ultrasons d’huiles (usagées) en biodiesel

La sonication augmente la vitesse de réaction chimique et le rendement de la transestérification des huiles végétales et des graisses animales en biodiesel. Elle permet de passer d’une production par lots à un traitement en flux continu et réduit les coûts d’investissement et d’exploitation. L’un des principaux avantages de la fabrication de biodiesel par ultrasons est l’utilisation d’huiles usagées, telles que les huiles de cuisson usagées et d’autres sources d’huile de mauvaise qualité. La transestérification par ultrasons peut convertir même des 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 des acides gras avec du méthanol ou de l’éthanol, catalysée par une base, pour obtenir les esters méthyliques ou éthyliques correspondants. La sonication peut atteindre 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, désaération et démoussage des liquides par ultrasons

Le dégazage des liquides est une autre application importante des appareils à ultrasons à sonde. Les vibrations ultrasonores et la cavitation provoquent la coalescence des gaz dissous dans un liquide. Lorsque les minuscules bulles de gaz coalescent, elles forment des bulles plus grosses qui remontent rapidement à la surface du liquide, où elles peuvent être éliminées. Ainsi, le dégazage et la désaération par ultrasons peuvent réduire la teneur en gaz dissous en dessous du niveau d’équilibre naturel.
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Nettoyage des fils, câbles et bandes par ultrasons

Le nettoyage par ultrasons est une alternative respectueuse de l’environnement pour le nettoyage de matériaux continus, tels que les fils et câbles, les bandes ou les tubes. L’effet de la puissante cavitation ultrasonore élimine de la surface du matériau les résidus de lubrification, tels que l’huile ou la graisse, les savons, les stéarates ou la poussière. Hielscher Ultrasonics propose divers systèmes à ultrasons pour le nettoyage en ligne de profilés continus.
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Qu’est-ce qui fait de la sonication une méthode de traitement supérieure ?

La sonication, c’est-à-dire l’utilisation d’ondes sonores de haute fréquence pour agiter les liquides, est une méthode de traitement efficace pour diverses raisons. Voici pourquoi la sonication de haute intensité et de basse fréquence, d’environ 20kHz, est particulièrement efficace et avantageuse pour le traitement des liquides et des suspensions :

1. Cavitation : L’un des principaux mécanismes de la sonication est la formation et l’effondrement de minuscules bulles, un phénomène appelé cavitation. À 20kHz, les ondes sonores ont précisément la fréquence nécessaire pour former et faire s’effondrer les bulles efficacement. L’effondrement de ces bulles produit des ondes de choc de haute énergie, qui peuvent fragmenter les particules et désintégrer les cellules dans le liquide soumis à la sonication.
2. Oscillation et vibration : Outre la cavitation acoustique générée, l’oscillation de la sonde à ultrasons crée une agitation et un mélange supplémentaires dans le liquide, favorisant ainsi le transfert de matière et/ou le dégazage.
3. Pénétration : Les ondes sonores à 20kHz ont une longueur d’onde relativement grande, ce qui leur permet de pénétrer profondément dans les liquides. La cavitation ultrasonore est un phénomène localisé qui apparaît autour de la sonde à ultrasons. L’intensité de la cavitation diminue à mesure que la distance à la sonde augmente. Toutefois, la sonication à 20kHz peut traiter efficacement des volumes de liquide plus importants que la sonication à plus haute fréquence, dont les longueurs d’onde sont plus courtes et la profondeur de pénétration peut être plus limitée.
4. Faible consommation d’énergie : La sonication peut être réalisée avec une consommation d’énergie relativement faible par rapport à d’autres méthodes de traitement, telles que l’homogénéisation haute pression ou l’agitation mécanique. Cela en fait une méthode plus efficace sur le plan énergétique et plus économique pour le traitement des liquides.
5. Mise à l’échelle linéaire : Les procédés ultrasonores peuvent être mis à l’échelle de manière entièrement linéaire pour des volumes plus grands ou plus petits. Cela permet d’adapter les procédés en production de manière fiable, car la qualité du produit peut être maintenue constamment stable.
6. Traitement par lots et en flux continu en ligne : La sonication peut être réalisée par lots ou sous forme de procédés continus en ligne. Pour la sonication par lots, la sonde à ultrasons est introduite dans une cuve ouverte ou un réacteur fermé fonctionnant par lots. Pour la sonication d’un flux continu, une cellule à circulation ultrasonore est installée. Le milieu liquide passe devant la sonotrode (tige vibrant à une fréquence ultrasonore), en un seul passage ou en recirculation, et est exposé aux ondes ultrasonores de manière très uniforme et efficace.

Dans l’ensemble, les forces intenses de cavitation, la faible consommation d’énergie et la possibilité de mise à l’échelle du procédé font de la sonication de basse fréquence et de forte puissance une méthode efficace pour traiter les liquides.

Principe de fonctionnement et utilisation du traitement par ultrasons

La sonication est une technologie de traitement commercial adoptée par de nombreuses industries pour la production à grande échelle. Une fiabilité élevée et une grande capacité de mise à l’échelle, ainsi que de faibles coûts de maintenance et une efficacité énergétique élevée, font des appareils à ultrasons une bonne alternative aux équipements traditionnels de traitement des liquides. Les ultrasons offrent d’autres possibilités intéressantes : la cavitation – l’effet fondamental des ultrasons – produit des résultats uniques dans les procédés biologiques, chimiques et physiques. Par exemple, la dispersion et l’émulsification par ultrasons permettent de produire facilement des formulations nanométriques stables. Dans le domaine de l’extraction de substances végétales également, les ultrasons constituent une technique non thermique permettant d’isoler des composés bioactifs.

Le mélange par ultrasons repose sur la cavitation acoustique et ses forces de cisaillement hydrodynamiques.

Alors que les ultrasons de faible intensité ou de haute fréquence sont principalement utilisés pour l’analyse, les contrôles non destructifs et l’imagerie, les ultrasons de haute intensité sont utilisés pour traiter les liquides et les pâtes. Les ondes ultrasonores intenses y servent au mélange, à l’émulsification, à la dispersion et à la désagglomération, à la désintégration cellulaire ou à la désactivation des enzymes. Lors de la sonication des liquides à haute intensité, les ondes sonores se propagent dans les milieux liquides. Cela entraîne une alternance de cycles de haute pression (compression) et de basse pression (raréfaction), à des cadences dépendant de la fréquence. Pendant le cycle de basse pression, les ondes ultrasonores de haute intensité créent de petites bulles de vide ou des cavités dans le liquide. Lorsque les bulles atteignent un volume auquel elles ne peuvent plus absorber d’énergie, elles s’effondrent violemment pendant un cycle de haute pression. Ce phénomène est appelé cavitation. Pendant l’implosion, des températures très élevées (environ 5 000K) et des pressions très élevées (environ 2 000atm) sont atteintes localement. L’implosion de la bulle de cavitation produit également des jets liquides dont la vitesse peut atteindre 280 mètres par seconde.

La cavitation ultrasonore dans les liquides peut provoquer un dégazage rapide et complet ; déclencher diverses réactions chimiques en générant des ions chimiques libres (radicaux) ; accélérer les réactions chimiques en facilitant le mélange des réactifs ; intensifier les réactions de polymérisation et de dépolymérisation en dispersant les agrégats ou en rompant définitivement les liaisons chimiques des chaînes polymères ; augmenter les vitesses d’émulsification ; améliorer les vitesses de diffusion ; produire des émulsions fortement concentrées ou des dispersions uniformes de matériaux micrométriques ou nanométriques ; faciliter l’extraction de substances telles que les enzymes à partir de cellules animales, végétales, de levures ou de bactéries ; éliminer les virus des tissus infectés ; et enfin, éroder et désintégrer 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, qui peut être utilisée 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 matière par convection et accélèrent considérablement la diffusion dans les systèmes où le mélange ordinaire n’est pas possible. (cf. Nyborg, 1965)

Bibliographie

• Seyed Mohammad Mohsen Modarres-Gheisari, Roghayeh Gavagsaz-Ghoachani, Massoud Malaki, Pedram Safarpour, Majid Zandi (2019): Ultrasonic nano-emulsification – A review. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 52, 2019. 88-105.
• Suslick, Kenneth S.; Hyeon, Taeghwan; Fang, Mingming; Cichowlas, Andrzej A. (1995): Sonochemical synthesis of nanostructured catalysts. Materials Science and Engineering: A. Proceedings of the Symposium on Engineering of Nanostructured Materials. ScienceDirect 204 (1–2): 186–192.
• Brad W. Zeiger; Kenneth S. Suslick (2011): Sonofragmentation of Molecular Crystals. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 37, 14530–14533.
• Petigny L., Périno-Issartier S., Wajsman J., Chemat F. (2013): Batch and Continuous Ultrasound Assisted Extraction of Boldo Leaves (Peumus boldus Mol.). International Journal of Molecular Science 14, 2013. 5750-5764.
• Ensminger, D. E. (1988): Acoustic and electroacoustic methods of dewatering and drying, in: Drying Tech. 6, 473 (1988).
• Kuldiloke, J. (2002): Effect of Ultrasound, Temperature and Pressure Treatments on Enzyme Activity an Quality Indicators of Fruit and Vegetable Juices; Ph.D. Thesis at Technische Universität Berlin (2002).
• Nyborg, W.L. (1965): Acoustic Streaming, Vol. 2B, Academic Press, New York (1965).