Ultrasons: Applications et processus

Les ultrasons sont une méthode de traitement mécanique qui crée une cavitation acoustique et des forces physiques très intenses. Les ultrasons sont donc utilisés pour de nombreuses applications telles que le mélange, l'homogénéisation, le broyage, la dispersion, l'émulsification, l'extraction, le dégazage et les réactions sonochimiques.
Vous trouverez ci-dessous des informations sur les applications et processus ultrasoniques typiques.

homogénéisation par ultrasons

Les homogénéisateurs à ultrasons réduisent les 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 les particules molles et dures. Hielscher fabrique des appareils à 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 1,5 ml à environ 4 litres. Les appareils industriels à ultrasons peuvent traiter des lots de 0,5 à environ 2000 litres ou des débits de 0,1 litre à 20 mètres cubes par heure dans le cadre du développement de processus et de 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 à sonde. La cavitation ultrasonique/acoustique génère des forces de cisaillement élevées qui décomposent les agglomérats de particules en particules individuelles dispersées. Le mélange de poudres et de 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 nature physique et chimique, notamment la force de van-der-Waals et la tension superficielle des liquides. Les ultrasons permettent de surmonter ces forces d'attraction afin de désagglomérer et de disperser les particules dans un milieu liquide. Pour la dispersion et la désagglomération de poudres dans des liquides, les ultrasons à haute intensité constituent une alternative intéressante aux homogénéisateurs à haute pression, aux mélangeurs à cisaillement élevé, aux broyeurs à perles 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, sont basés en totalité ou en partie sur des émulsions. Les émulsions sont des dispersions de deux ou plusieurs phases liquides non miscibles. Des ultrasons très intenses 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, l'implosion des bulles de cavitation provoque des ondes de choc intenses dans le liquide environnant et entraîne la formation de jets de liquide à grande vitesse (cisaillement élevé). L'ultrasonication peut être adaptée avec précision à la taille de l'émulsion cible, ce qui permet la production fiable de micro-émulsions et de nano-émulsions.
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Broyage humide et broyage par ultrasons

Les ultrasons sont un moyen efficace pour le broyage humide et le microbroyage des particules. Les ultrasons présentent de nombreux avantages, en particulier pour la fabrication de boues superfines. Ils sont supérieurs aux équipements traditionnels de réduction de la 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. L'ultrasonication peut traiter des boues à haute concentration et à haute viscosité, ce qui permet de réduire le volume à traiter. Bien entendu, le broyage par ultrasons convient au traitement de matériaux de taille micrométrique et nanométrique, tels que les céramiques, les pigments, le sulfate de baryum, le carbonate de calcium ou les oxydes métalliques. C'est surtout dans le cas des nanomatériaux que l'ultrasonication excelle, car ses forces de cisaillement très puissantes créent des nanoparticules uniformément petites.
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TiO2 séché par pulvérisation avant et après broyage par ultrasons

Désintégration et lyse cellulaire par ultrasons

Le traitement par ultrasons peut désintégrer les matières fibreuses et cellulosiques en fines particules et briser les parois de la structure cellulaire. La matière intracellulaire, telle que 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 le broyage et la mouture, les ultrasons permettent aux enzymes qui transforment l'amidon en sucres d'accéder à une plus grande partie de la matière intracellulaire, par exemple l'amidon, ainsi qu'aux débris de la paroi cellulaire. Elle augmente également la surface exposée aux enzymes pendant la liquéfaction ou la saccharification. Cela permet généralement d'augmenter la vitesse et le rendement de la fermentation de la levure et d'autres processus de conversion, par exemple pour stimuler la production d'éthanol à partir de la biomasse.
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l'extraction par ultrasons des plantes médicinales

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 ingrédients actifs de la matrice cellulaire des plantes et des champignons. Adaptée à l'extraction de 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 de flux de sous-produits non utilisés issus de processus industriels. Les ultrasons sont une technologie très efficace pour l'extraction botanique 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 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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Transestérification ultrasonique de l'huile en biodiesel

Les ultrasons augmentent 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'un traitement par lots à un traitement 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 usagées telles que les huiles de cuisson 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 / EMAG). 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. Les ultrasons permettent d'obtenir un rendement en biodiesel supérieur à 99 %. Les ultrasons réduisent considérablement le temps de traitement et de séparation.
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Dégazage et désaération des liquides par ultrasons

Le dégazage des liquides est une autre application importante des ultrasons à sonde. Les vibrations ultrasoniques et la cavitation provoquent la coalescence des gaz dissous dans un liquide. Lorsque les minuscules bulles de gaz coalescent, elles forment de plus grosses bulles qui flottent rapidement à la surface du liquide, d'où elles peuvent être éliminées. 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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Nettoyage par ultrasons des fils, des câbles et des bandes

Le nettoyage par ultrasons est une alternative respectueuse de l'environnement pour le nettoyage des matériaux continus, tels que les fils et les câbles, les rubans 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 Ultrasonics propose différents 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, ou l'utilisation d'ondes sonores à haute fréquence pour agiter les liquides, est une méthode de traitement efficace pour de nombreuses raisons. Voici quelques raisons pour lesquelles la sonication à haute intensité et à basse fréquence d'environ 20 kHz est particulièrement efficace et avantageuse pour le traitement des liquides et des boues :

1. Cavitation : L'un des principaux mécanismes de la sonication est la création et l'effondrement de minuscules bulles, un phénomène appelé cavitation. À 20 kHz, les ondes sonores sont à la bonne fréquence pour créer et faire éclater les bulles efficacement. L'effondrement de ces bulles produit des ondes de choc à haute énergie, qui peuvent briser les particules et perturber les cellules dans le liquide sonifié.
2. Oscillation et vibration : Outre la cavitation acoustique générée, l'oscillation de la sonde ultrasonique crée une agitation et un mélange supplémentaires dans le liquide, favorisant ainsi le transfert de masse et/ou le dégazage.
3. Pénétration : Les ondes sonores de 20 kHz ont une longueur d'onde relativement grande, ce qui leur permet de pénétrer profondément dans les liquides. La cavitation ultrasonique est un phénomène localisé qui apparaît dans le voisinage de la sonde ultrasonique. L'intensité de la cavitation diminue avec l'augmentation de la distance par rapport à la sonde. Cependant, la sonication à 20 kHz peut traiter efficacement de plus grands volumes de liquide, par rapport à la sonication à plus haute fréquence qui a des longueurs d'onde plus courtes et peut être plus limitée dans sa profondeur de pénétration.
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 à haute pression ou l'agitation mécanique. Cela en fait une méthode plus efficace sur le plan énergétique et plus rentable pour le traitement des liquides.
5. Évolution linéaire : Les procédés ultrasoniques peuvent être adaptés de manière totalement linéaire à des volumes plus grands ou plus petits. Cela permet d'adapter les processus de production de manière fiable, la qualité du produit pouvant être maintenue stable en permanence.
6. Flux par lots et en ligne : L'ultrasonication peut être réalisée par lots ou en continu, en ligne. Pour la sonication de lots, la sonde ultrasonique est insérée dans la cuve ouverte ou le réacteur discontinu fermé. Pour la sonication d'un flux continu, une cellule d'écoulement ultrasonique est installée. Le liquide traverse la sonotrode (tige vibrante à ultrasons) en un seul passage ou en recirculation et est exposé de manière très uniforme et efficace aux ondes ultrasonores.

Dans l'ensemble, les forces intenses de cavitation, la faible consommation d'énergie et l'évolutivité du processus font de la sonication à basse fréquence et à haute puissance une méthode efficace pour le traitement des liquides.

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 grande 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. Dans le domaine de l'extraction botanique également, les ultrasons sont une technique non thermique permettant d'isoler les composés bioactifs.

Alors que les ultrasons à faible intensité ou à haute fréquence sont principalement utilisés pour l'analyse, les essais non destructifs et l'imagerie, les ultrasons à 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 sonification 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 les taux dépendent 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. Lors de 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 produit 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 manière permanente les liaisons chimiques dans les chaînes polymères ; augmenter les taux d'émulsification ; améliorer les taux de diffusion ; produire des émulsions très concentrées ou des dispersions uniformes de matériaux de taille micrométrique ou nanométrique ; faciliter l'extraction de substances telles que les enzymes des cellules animales, végétales, de levure ou bactériennes ; éliminer les virus des tissus infectés ; et enfin, éroder et 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 des 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)

Littérature