Ultrasons: Applications et processus
Les ultrasons sont une technologie utile pour de nombreuses applications, telles que l'homogénéisation, la désintégration, la dispersion, la sonochimie, le dégazage ou le nettoyage. Vous trouverez ci-dessous des applications et des processus ultrasoniques typiques.
Veuillez cliquer sur les éléments de la liste suivante pour plus d'informations sur chaque application.
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 produit 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 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 ou de la production.
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Dispersion et Désagglomération Ultrasonique
La dispersion et la désagglomération de solides dans des liquides est une application importante des dispositifs à ultrasons. La cavitation ultrasonique 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 shampooings, 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 ou aux mélangeurs rotor-stator.
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émulsifiant à 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 et les lubrifiants et les carburants sont basés entièrement ou en partie sur des émulsions. Les émulsions sont des dispersions de deux ou plusieurs 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 permet d'obtenir une taille moyenne de gouttelettes bien inférieure à 1 micron (micro-émulsion).
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Ultrasons humide fraisage et rectification
L'ultrasonication est un moyen efficace pour le broyage humide et le micro-broyage des 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. L'ultrasonication peut traiter des boues à haute concentration et à haute viscosité - réduisant ainsi le volume à traiter. 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.
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Cellule ultrasonique Disintegration
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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Extraction de cellules par ultrasons
L'extraction des enzymes et des protéines stockées dans les cellules et les particules subcellulaires est une application largement utilisée des ultrasons à haute intensité. L'extraction par solvant des composés organiques contenus dans les plantes ou les graines peut être améliorée de manière significative. Les ultrasons présentent un avantage potentiel pour l'extraction et l'isolement de nouveaux composants potentiellement bioactifs, par exemple à partir de flux de sous-produits non utilisés formés dans les processus actuels. L'ultrasonication est une technologie très efficace pour l'extraction botanique à l'échelle du laboratoire et de la production.
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Cavitation ultrasonique puissante dans un liquide
UIP1000 – Ensemble de sonication
Ensemble ultrasonique de 1 000 watts pour le développement et l'optimisation des processus
sonochimie
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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
Ultrasonication augmente la vitesse de réaction chimique et le rendement de la transestérification d'huiles végétales et de graisses animales en biodiesel. Cela permet de modifier la production de traitement par lots pour le traitement de flux continu et réduit les investissements et les coûts d'exploitation. La fabrication de biodiesel à partir d'huiles végétales ou de graisses animales, implique la transestérification catalysée par une base d'acides gras avec le méthanol ou l'éthanol pour donner les esters méthyliques correspondants ou les esters d'éthyle. Ultrasons peut obtenir un rendement de biodiesel supérieur à 99%. L'échographie permet de réduire le temps de traitement et le temps de séparation de manière significative.
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Ultrasons Dégazage de liquides
Dégazage de liquides est une application intéressante de dispositifs à ultrasons. Dans ce cas, les ultrasons supprime les petites bulles de gaz en suspension dans le liquide et réduit le niveau de gaz dissous au-dessous du niveau d'équilibre naturel.
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Sonication des bouteilles et des boîtes de conserve pour la détection des fuites
Vous pouvez installer des appareils à ultrasons dans les machines d'embouteillage et de remplissage pour contrôler l'étanchéité des boîtes et des bouteilles. La libération instantanée de dioxyde de carbone est l'effet décisif des tests d'étanchéité par ultrasons des récipients remplis de boissons gazeuses.
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La désinfection continue des systèmes d'eau chaude
Pour lutter contre la dangereuse bactérie Legionella dans les systèmes d'eau chaude et garantir un environnement de douche plus sûr, la société Gruenbeck a développé le système GENO-break. Ce système utilise la technologie ultrasonique Hielscher en combinaison avec la lumière UV-C.
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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.
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Informations générales sur le traitement par ultrasons
L'ultrasonication est une technologie de traitement entièrement commerciale. Une fiabilité et une évolutivité élevées, ainsi que de faibles coûts de maintenance et une grande efficacité énergétique 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 de base des ultrasons - produit des résultats uniques dans les processus biologiques, chimiques et physiques.
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 tels que 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 haute intensité, 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 pendant 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 ; augmenter les taux d'émulsification ; améliorer les taux de diffusion ; produire des émulsions hautement 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. (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. (Ensminger, 1988) Au solide / liquide ou gaz / interfaces solides, l'implosion asymétrique des bulles de cavitation peut provoquer des turbulences extrêmes qui réduisent la couche limite de diffusion, d'augmenter le transfert de masse par convection, et d'accélérer considérablement la diffusion dans les systèmes où le mélange ordinaire est impossible. (Nyborg, 1965)
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Littérature
Ensminger, D. E. (1988) : Acoustic and electroacoustic methods of dewatering and drying, in : Drying Tech. 6, 473 (1988).
Kuldiloke, J. (2002) : Effet de l'échographie, la température et la pression Traitements sur l'activité enzymatique un des indicateurs de la qualité des fruits et jus de légumes; Doctorat Thèse à l'Université technique de Berlin (2002).
Nyborg, W.L. (1965) : Acoustic Streaming, Vol. 2B, Academic Press, New York (1965).