Ultrasons: Applications et processus
Les ultrasons sont utilisés dans de nombreuses applications, telles que l'homogénéisation, la désintégration, la sonochimie, le dégazage ou le nettoyage. Ci-dessous, vous trouverez un aperçu systématique des différentes applications et processus ultrasoniques.Veuillez cliquer sur les éléments de la liste suivante pour plus d'informations sur chaque processus.
Homogénéisation par ultrasons
Les processeurs à ultrasons sont utilisés comme homogénéisateurs, pour réduire les petites particules dans un liquide afin d'améliorer l'uniformité et la stabilité. Ces particules (phase dispersée) peuvent être solides ou liquides. L'homogénéisation par ultrasons est très efficace pour la réduction des particules tendres et dures. Hielscher produit des appareils à ultrasons pour l'homogénéisation de n'importe quel volume de liquide 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 2 litres. Les appareils industriels à ultrasons sont utilisés pour le développement et la production de lots de 0,5 à environ 2000 L ou de débits de 0,1 L à 20 m³ par heure.
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Dispersion et Désagglomération Ultrasonique
La dispersion et la désagglomération des solides dans les liquides est une application importante des appareils à ultrasons. La cavitation ultrasonique génère des forces de cisaillement élevées qui cassent 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, comme la peinture, Encreshampooing, shampooing, boissons ou produits de polissage. Les particules individuelles sont retenues ensemble par des forces d'attraction de différentes natures physiques et chimiques, y compris les forces van der Waals et la tension superficielle liquide. Les forces d'attraction doivent être surmontées pour désagglomérer et disperser les particules dans un milieu liquide. Pour la dispersion et la désagglomération des poudres dans les liquides, les ultrasons de haute intensité constituent une alternative intéressante aux homogénéisateurs haute pression et aux mélangeurs rotor-stator.
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Émulsifiant ultrasonique
Une large gamme de produits intermédiaires et de consommation, tels que Cosmétique et lotions pour la peau, onguents pharmaceutiques, vernis, peintures et lubrifiants et carburants sont à base d'émulsions en totalité ou en partie. Les émulsions sont des dispersions de deux ou plusieurs liquides non miscibles. Les ultrasons à haute intensité fournissent la puissance nécessaire pour disperser une phase liquide (phase dispersée) en petites gouttelettes dans une seconde phase (phase continue). Dans la zone de dispersion, l'implosion de bulles de cavitation provoque des ondes de choc intenses dans le liquide environnant et entraîne la formation de jets liquides à grande vitesse. À des niveaux de densité énergétique appropriés, les ultrasons peuvent très bien atteindre une taille moyenne de gouttelettes inférieure à 1 micron (micro-émulsion).
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Broyage et broyage par voie humide par ultrasons
L'ultrasonisation est un moyen efficace pour le broyage humide et le microbroyage des particules. En particulier pour la fabrication de boues de taille superfine, les ultrasons présentent de nombreux avantages par rapport aux équipements de réduction de taille courants, tels que les broyeurs colloïdaux (broyeurs à boulets, broyeurs à billes), les broyeurs à disques ou à jets. L'ultrasonisation permet de traiter des boues à haute concentration et à haute viscosité, réduisant ainsi le volume à traiter. Le fraisage par ultrasons est adapté au traitement de la taille du micron et de l'aluminium. nano-taille comme les céramiques, le trihydrate d'alumine, le sulfate de baryum, le carbonate de calcium et les oxydes métalliques.
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Désintégration des cellules ultrasonores
Le traitement par ultrasons peut désintégrer les matériaux fibreux et cellulosiques en fines particules et briser les parois de la structure cellulaire. Cela libère une plus grande quantité de matière intracellulaire, comme l'amidon ou le sucre, dans le liquide. De plus, le matériau de la paroi cellulaire est brisé en petits débris.
Cet effet peut être utilisé pour la fermentation, la digestion et d'autres processus de conversion de la matière organique. Après le broyage et le broyage, les ultrasons permettent aux enzymes qui transforment l'amidon en sucres de disposer d'une plus grande quantité de matière intracellulaire, par exemple de l'amidon et des débris de la paroi cellulaire. Il 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 ultrasonores
L'extraction des enzymes et des protéines stockées dans les cellules et les particules subcellulaires est une application efficace des ultrasons de haute intensité, car l'extraction des composés organiques contenus dans le corps des plantes et des graines par un solvant peut être considérablement améliorée. Les ultrasons ont un avantage potentiel dans l'extraction et l'isolement de nouveaux composants potentiellement bioactifs, par exemple à partir de flux de sous-produits non utilisés formés dans les procédés actuels.
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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 des réactions et des procédés chimiques comprennent l'augmentation de la vitesse de réaction et/ou du rendement, une utilisation plus efficace de l'énergie, l'amélioration du rendement des catalyseurs de transfert de phase, l'activation des métaux et des solides ou des 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 du traitement par lots au traitement en flux continu et de réduire les coûts d'investissement et d'exploitation. La fabrication de biodiesel à partir d'huiles végétales ou de graisses animales implique la transestérification d'acides gras catalysée par une base avec du méthanol ou de l'éthanol pour donner les esters méthyliques ou éthyliques correspondants. Les ultrasons peuvent atteindre un rendement de biodiesel supérieur à 99%. Les ultrasons réduisent considérablement le temps de traitement et le temps de séparation.
Dégazage ultrasonique de liquides
Le dégazage de liquides est une application intéressante des appareils à ultrasons. Dans ce cas, les ultrasons éliminent les petites bulles de gaz en suspension du liquide et réduisent le niveau de gaz dissous sous le niveau d'équilibre naturel.
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Sonication des bouteilles et des boîtes pour la détection des fuites
Les ultrasons sont utilisés dans les machines d'embouteillage et de remplissage pour vérifier l'étanchéité des boîtes de conserve et des bouteilles. La libération instantanée de dioxyde de carbone est l'effet décisif des contrôles d'étanchéité par ultrasons des récipients remplis de boissons gazeuses.
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Désinfection continue des systèmes d'eau chaude sanitaire
Pour combattre la dangereuse bactérie Legionella dans les systèmes d'eau chaude et sécuriser l'environnement de la douche, l 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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Nettoyage de fils, de câbles et de bandes par ultrasons
Le nettoyage par ultrasons est une alternative respectueuse de l'environnement pour le nettoyage de matériaux continus, tels que fils et câbles, rubans ou tubes. L'effet de cavitation généré par la puissance ultrasonique élimine les résidus de lubrification tels que l'huile ou la graisse, les savons, les stéarates ou la poussière.
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Informations générales sur le traitement par ultrasons
L'échographie a évolué d'une technologie émergente au cours des dix dernières années et s'est transformée en une technologie de traitement entièrement commerciale. Fiabilité et évolutivité élevées ainsi que faibles coûts d'entretien et de maintenance. Haute efficacité énergétique font de l'échographie un candidat prometteur pour l'équipement de traitement des liquides établi. L'échographie offre d'autres possibilités passionnantes : La cavitation - l'effet ultrasonique de base - permet d'obtenir de nouveaux résultats 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 de liquides tels que mélange, Émulsion, Dispersion et désagglomération, désintégration cellulaire en désactivation enzymatique. Lors de la sonication de liquides à haute intensité, les ondes sonores qui se propagent dans le milieu liquide entraînent des cycles alternés de haute pression (compression) et de basse pression (raréfaction), avec des taux dépendant 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 auquel elles ne peuvent plus absorber l'énergie, elles s'effondrent violemment pendant un cycle à haute pression. Ce phénomène est appelé cavitation. Pendant l'implosion, de très hautes températures (environ 5.000 K) et pressions (environ 2.000atm) sont atteintes localement. L'implosion de la bulle de cavitation produit également des jets liquides d'une vitesse pouvant atteindre 280 m/s.
En général, la cavitation dans les liquides peut causer 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 ; améliorer les réactions de polymérisation et de dépolymérisation en favorisant temporairement dispersion des agrégats ou en brisant de façon permanente les liaisons chimiques dans les chaînes polymériques ; augmenter l'émulsification améliorer les taux de diffusion ; produire des émulsions très concentrées ou des dispersions uniformes de la taille d'un micron ou nanomatériauxd'aider le l'extraction de substances telles que des enzymes à partir de cellules animales, végétales, levuriennes ou bactériennes; éliminer les virus des tissus infectéset 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, qui peuvent être utilisés pour se disperser. (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 les systèmes où le mélange ordinaire est impossible. (Nyborg, 1965)
Littérature
Ensminger, D. E. (1988) : Méthodes acoustiques et électroacoustiques de déshydratation et de séchage, in : Technique de séchage. 6, 473 (1988).
Kuldiloke, J. (2002) : Effet des ultrasons, de la température et de la pression sur l'activité enzymatique et indicateurs de qualité des jus de fruits et de légumesThèse de doctorat à la Technische Universität Berlin (2002).
Nyborg, W.L. (1965) : Acoustic Streaming, Vol. 2B, Academic Press, New York (1965).