超音波破砕：湿潤、溶解、分散

超音波インテグレーターは、液体中で粒子や粉末を湿潤、分散、溶解させるために広く使用されています。高性能超音波装置は強力なせん断力を発生させ、集合体、凝集体、一次粒子を破壊し、微視的サイズまたはナノサイズに砕きます。音響キャビテーション場で粒子を均一に処理することで、粒子分布が狭くなり、粒子表面が均一になります。

超音波破砕装置とその用途

超音波破砕装置は強力なせん断力を発生させ、粒子、結晶、繊維などの固体に必要な衝撃を与えて破砕し、例えばマイクロメートルサイズやナノサイズなど、目標のサイズまで細かくします。高せん断ブレードミキサー、高圧ホモジナイザー、ビーズミル、マイクロフルイダイザーなどの他の破砕方法と比較すると、超音波破砕装置にはいくつかの大きな利点があります。

超音波破砕装置の利点

• 高強度のキャビテーションとせん断
• 均一な粒子処理
• 高い固体濃度
• ノズル不要 / 目詰まりなし
• 粉砕媒体（ビーズなど）が不要
• 線形のスケールアップが可能
• 簡単で安全な操作
• 洗浄が容易
• 時間とエネルギーを効率的に利用

 

プローブ型超音波破砕装置の動作原理は、音響キャビテーションの発生に基づいています。超音波プローブを通じて、高強度の超音波が処理媒体（液体またはスラリー）に伝達されます。超音波は液体中を伝播し、高圧と低圧が交互に繰り返されるサイクルを生み出します。低圧サイクル中には、キャビテーション気泡と呼ばれる微小な真空気泡が発生します。これらのキャビテーション気泡は、複数の圧力サイクルを通じて成長し、それ以上エネルギーを吸収できない大きさに達します。この時点で、キャビテーション気泡は激しく圧壊し、極めて高い温度と圧力、極端な温度差と圧力差（高い加熱・冷却速度と圧力変動による）、微小な乱流、最大180m/sの速度の液体流など、局所的に極端な条件を生み出します。高速の液体流が媒体中の粒子を加速して粒子同士を衝突させるため、これらの条件は媒体中の粒子に大きな機械的作用を及ぼします。粒子間の衝突によって、固形物（粒子、繊維、細胞など）は侵食され、砕け、マイクロメートルサイズおよびナノサイズの小片に断片化されます。
超音波処理によって生じる強い乱流は、相間の物質移動を増大させ、それによって粉末の溶解や不均一系化学反応を促進します。このため、超音波破砕装置は、粉砕、分散、乳化、溶解などのプロセスを強化するための優先的な選択肢となっています。

超音波による化学反応の強化（ソノケミストリー）について詳しくお読みください！

超音波破砕装置の用途

• 粉砕・微粉砕
• 解凝集・分散
• 乳化
• 粉末の溶解
• 物質移動の改善
• ソノケミカル反応

粒径の低減に用いる超音波破砕装置

超音波破砕装置は、一次粒子そのものの微細化（粉砕と呼ばれます）にも、凝集体の破壊（解凝集 / 分散と呼ばれます）にも、粒径の低減と粒子分布の調整のために使用されます。

粉砕・微粉砕に用いる超音波破砕装置

超音波によって発生するキャビテーションは強力なせん断力を生み出し、それに伴う粒子間の衝突を引き起こします。スラリー中の固体は粉砕媒体として機能します（ビーズミル / パールミル中のビーズやパールに相当します）。これらの固体は、容易に最大180m/sの速度に達するキャビテーションによる液体流によって加速されます。粒子同士がこのような極めて高い速度で衝突すると、破壊されて砕け、マイクロメートルサイズおよびナノサイズの断片になります。超音波破砕装置は、一次粒子さえも破壊できます。超音波フローセルリアクターは、すべての粒子を均一に処理することを確実にし、超音波粉砕によって狭い粒度分布が得られます。
超音波粉砕について詳しくはこちらをご覧ください！

解凝集・分散に用いる超音波破砕装置

超音波のプロセスパラメーターは極めて精密に制御できるため、高い振幅と高めた圧力を適用すると、超音波破砕装置で一次粒子を粉砕できます。一方、超音波破砕システムは、より低い振幅と穏やかな条件でも運転でき、その場合は粒子の構造と表面を損なうことなく、凝集体を分解し、個々の粒子をスラリー中に均一に分散させます。
超音波による解凝集と分散について詳しくはこちらをご覧ください！

フュームドシリカの超音波分散：Hielscherの超音波ホモジナイザーUP400Sは、シリカ粉末を迅速かつ効率的に個々のナノ粒子へと分散させます。

乳化に用いる超音波破砕装置

互いに混ざり合わない二種類の液体（水と油など）を超音波処理すると、超音波キャビテーションが液滴を破砕します – これにより、互いに混ざり合わない二つの相の非常に小さな液滴が生成され、その後混合されます。超音波破砕装置はナノサイズの液滴を容易に生成するため、安定化された超音波エマルションは長期安定性と澄んだ透明な外観を示します。
超音波によるナノ乳化について詳しくはこちらをご覧ください！

溶解に用いる超音波破砕装置

超音波破砕装置は、迅速、簡便かつ安全な手順で粉末や錠剤を溶解するために使用されます。超音波によって発生するキャビテーションが固体の表面を侵食し、侵食された断片を液体中に運ぶことで、均一な溶液を生成します。
製薬業界では、例えば分析目的で錠剤を溶解することは日常的な作業です。錠剤を水性環境に置くと、非常に時間のかかるプロセスでゆっくりと溶解します。一般的な撹拌機やブレード撹拌機を使用しても、錠剤の完全な溶解には依然として時間がかかります。超音波キャビテーションとその並外れて強力なせん断力は、錠剤から粒子を分離して希釈液中に運び、錠剤表面と新鮮な未飽和の希釈液との間で物質移動を継続的に進行させます。これにより、超音波溶解は極めて迅速で効率的なプロセスとなり、薬剤の溶解を促進します。
超音波溶解について詳しくはこちらをご覧ください！

溶解は、強力な超音波を活用する数多くの用途の一つです。この動画では、Hielscher UP200Stを使用して、Jellybabiesを水に迅速に溶解する様子をご紹介します。

機械式破砕装置はどのように動作するのでしょうか？

ラボ用超音波破砕装置は、産業用破砕装置と同じ機械的原理を利用しています。破砕混合システムは、凝集体や集合体を破砕し、固形物を可溶化したり、液体混合物中に固体粒子を分散させたりします。超音波破砕では、バッチタンクまたはインラインフローセルリアクターに高強度の超音波プローブを組み込みます。超音波破砕装置のプローブ（ソノトロード）は、液体中で極めて高い周波数で振動し、強力な超音波キャビテーションを液体中に発生させます。キャビテーション気泡が崩壊するたびに強力なせん断力が生じ、凝集体、集合体、さらには一次粒子も破壊します。また、超音波キャビテーションは、最大1000km/hの高速キャビテーション流を発生させます。キャビテーションによる液体ジェットは、粒子の凝集体に衝突し、細胞壁を破壊し、スラリー内の物質移動を改善し、液体の全体に固体を分散させます。超音波キャビテーション場では、圧力が真空と最大1000barとの間で素早く繰り返し交互に変化します。4枚のミキサーブレードを備えた回転式ミキサーが、同じ周波数の交互の圧力サイクルを実現するには、驚異的な300,000 RPMで運転する必要があります。従来の回転式ミキサーやローター・ステーターミキサーは、回転速度の制限により、顕著な量のキャビテーションを発生させません。

ナノ粒子のボトムアップ合成にご興味がありますか？ – 詳しくはこちらをご覧ください！

ラボ用超音波破砕装置

プローブ型超音波装置は、あらゆるラボで非常に有用なツールです。超音波プローブ（ソノトロードとも呼ばれます）は、単純な形状で洗浄しやすいチタン製の棒で、超音波振動を液体に結合します。Hielscherは、幅広いサイズの超音波プローブとチップを製造しています。ラボで最も一般的な固体の破砕には、チップ直径が3、7、14、22mmの超音波プローブが非常に有用です。他のプローブサイズや、カスタムサイズの超音波プローブもご用意しています。ラボでの破砕に用いられる一般的な超音波装置の超音波出力は、100–400ワットです。

産業用超音波破砕装置

Hielscherの産業用破砕装置は、大流量のスラリーを高負荷で連続破砕するために設計された、高出力の超音波プロセッサーです。これらの産業用システムは、高い固体濃度にも容易に対応できます。産業用超音波プローブにはフランジが装備されており、鋼製タンク、ガラス製リアクター、プラスチック容器に任意の向きで取り付けられます。超音波処理容器またはフローセルを加圧すると、音響キャビテーションが強まり、それによって超音波処理プロセスが強化されます。一般的な産業用超音波破砕装置の超音波出力は、ソノトロード当たり1000–16,000ワットです。

超音波破砕が広く利用されている産業分野：

• 固体・液体配合物の分散、溶解、混合
• 材料科学
• 分析前のサンプル調製
• ナノ粒子の用途
• 粒子の機能化
• 相間移動反応
• 結晶化 / 沈殿
• 食品加工
• 製紙産業
• バイオマスの消化

適切な超音波破砕装置を購入するには？

Hielscher Ultrasonicsは、高性能超音波破砕装置の製造に長年の経験を持つメーカーです。これらの装置は、粒子の分散・破砕や、液体中での粉末の溶解に使用されます。市場のリーダーとして、Hielscherはラボ用やベンチトップ用から本格的な産業規模まで、超音波破砕装置とホモジナイザーを設計、製造、販売しています。

お客様の用途とニーズに最も適した超音波破砕装置を見つけるため、以下の質問への回答をお手伝いします。

• 対象となる用途は何ですか？
• 通常、処理する必要がある容量はどのくらいですか？
• プロセスの重要な要因は何ですか？
• 達成しなければならない品質基準は何ですか？

十分な訓練を受けた経験豊富なスタッフが、あらゆるご質問やプロセスの構想をお手伝いします。Hielscher Ultrasonicsは、お客様が最適な超音波装置を見つけられるよう、超音波プロセスに関する詳細なコンサルティングを提供しています。Hielscherのサービスはそれだけにとどまりません。プロセスの開発、最適化、スケールアップを支援するため、お客様の施設、または当社の超音波プロセスラボとテクニカルセンターで、お客様向けのトレーニングを実施しています。
Hielscher Ultrasonicsの産業用超音波プロセッサーは、硬い粒子や凝集体を破壊したり、固体濃度の高いスラリーを処理したりするために必要な、非常に高い振幅を容易に実現します。Hielscherの産業用破砕装置は、最大200µmの振幅で24/7の連続運転が可能です。さらに高い振幅には、カスタマイズされた超音波ソノトロードをご用意しています。ブースターホーン、フローセル、超音波処理リアクター、完全な再循環装置などの追加アクセサリーもすぐに利用でき、お客様のプロセス要件に合わせて超音波システムを構成できます。

高度な超音波破砕装置と溶解装置

Hielscher Ultrasonicsは、最高の使いやすさと最先端の技術的進歩を備えた高性能破砕装置に注力しています。これは、Hielscherのラボ用破砕装置の水準が、産業機械のインテリジェント化にますます対応していることを意味します。ユーザーは、ブラウザーによる遠隔操作でHielscherのデジタル超音波装置を制御できます。自動データ記録ソフトウェアは、正味出力、総出力、振幅、温度、圧力、時刻、日付など、重要な超音波パラメーターをすべてCSVファイルとして内蔵SDカードに書き込みます。さらに、超音波破砕装置は、設定した時間または所定のエネルギー投入量に達した後に自動停止するようプログラムでき、パルス超音波処理モードもプログラムできます。着脱式の温度センサーと圧力センサーにより、サンプルの状態を注意深く追跡できます。熱に敏感な材料の温度制御は、プロセス結果の品質にとって極めて重要な要因であるため、Hielscherはプロセス温度を目標温度範囲内に維持するためのさまざまなソリューションを提供しています。
Hielscherの超音波装置の高度な機能は、最高水準のプロセス制御、信頼性と再現性のある超音波処理結果、使いやすさ、快適な作業を保証します。
Hielscher Ultrasonicsの産業用超音波プロセッサーは、非常に高い振幅を実現できます。最大200µmの振幅で、24/7の連続運転を容易に行えます。さらに高い振幅には、カスタマイズされた超音波ソノトロードをご用意しています。このような高い振幅で運転できる能力により、お客様は一次粒子をナノサイズまで効果的に粉砕できます。Hielscherの超音波装置は堅牢であり、高負荷や厳しい環境下でも24/7の運転が可能です。
超音波溶解と溶解装置について詳しくお読みください！

品質 – ドイツ製

家族所有・家族経営の企業として、Hielscherは超音波プロセッサーの高品質を誇りとしています。すべての超音波装置は、ドイツのベルリン近郊、Teltowにある当社本社で設計、製造、試験されています。Hielscherの超音波装置は堅牢であり、高負荷や厳しい環境下でも24/7の運転が可能です。

Hielscherの超音波破砕装置は、さまざまなサイズで購入でき、その価格帯にはお客様の予算に合う手頃な超音波装置が揃っています。小型のラボ用バイアル内での粒子破砕から、産業生産におけるスラリーの連続フロー破砕まで、Hielscher Ultrasonicsはお客様に適した破砕装置をご用意しています！ぜひお問い合わせください – 最も適した超音波装置をご提案いたします！
下表は、当社の超音波装置のおおよその処理能力の目安を示しています。