超音波を用いた液体の高効率脱気

脱気またはアウトガスはしばしば非常に時間のかかるプロセスステップですが、超音波処理によりガスバブルの合体とその上昇を大幅に加速することができます。超音波アウトガッシングは、バッチおよびインラインのセットアップで使用でき、不活性ガスによるスパージング、インペラーデガッサー、加熱または真空などの従来の脱ガス技術と組み合わせることで、ガス除去の効率と速度を高めることができます。

液体からのガス除去

脱気、脱ガス、アウトガスという用語は、流体から遊離ガスや溶解ガス、特に酸素やCO2のような反応性ガスを除去することを指す。酸素を除去することは、有害な最終製品の変化を防ぎ、下流の処理を改善するために重要である。脱ガスは、多くの用途や産業にとって必要な処理ステップである。工業生産では、脱ガスは製品の安定性、品質、継続的な製品規格を確保するための一般的な工程です。酸素は様々なレベルで製品の品質と安定性に影響を与える要因です。
従って、脱気は食品製造における確立された工程である。 & 飲料、化学、製薬、化粧品業界。しかし、研究室においても、分析前（HPLC、アッセイ、粒子測定などの前）にサンプルの脱気が必要となることがよくあります。
高剪断ブレードや回転インペラーミキサーなどを使用した混合工程では、製品に多量のガスが混入するため、その後の脱気が必要となることが多い。このようなガスや空気の混入は、油脂を腐敗させたり、製品を酸化、変色させたり、匂いや味を好ましくないものに変化させたりするため、通常、製品に悪影響を及ぼす。 脱気された製品は化学的に安定し、保存期間が長くなるため、脱気は信頼性の高い技術を必要とする重要な加工工程である。
 

超音波脱気：オイルから気泡を除去する。 超音波発生装置 UP400St を使用して

超音波脱気と脱泡

超音波脱気・脱泡は、沸騰、真空への減圧、不活性ガスによるスパージングを含む従来の液体脱気方法に代わる非常に強力な方法です。これらの伝統的な脱気方法は、（加熱による）熱劣化、時間とエネルギーのかかる処理、不十分なガス除去などの欠点を伴うことが多い。超音波脱気は、音響キャビテーションの作動原理に基づいています。高出力の超音波が液体に結合されると、液体は高圧および低圧サイクル中にそれぞれ圧縮および膨張する。低圧サイクルでは、微細な真空の気泡（いわゆるキャビテーションバブル）が発生し、数回の圧力サイクルを経て成長する。この気泡成長サイクルの間に、液体中の溶存ガスが真空気泡に入り込み、真空気泡は成長するガス気泡へと変化する。さらに、微小乱流と液体ジェットが激しい撹拌と物質移動を引き起こす。これらの超音波発生条件は、気泡の合体を引き起こし、小さな溶存気泡が大きな気泡に統合される。
超音波振動とキャビテーションによる温度変化は、非常に小さな局所的な空間に限定されるため、全体積の温度上昇は製品品質に支障をきたさないため無視することができる。
 

ソニケーターUP400STを使用し、超音波周波数24kHz、振幅100%、80%、60%、40%、20%における溶存酸素の経時変化。
研究：©Rognerud et al, 2020.

 
液体やスラリーの体積、粘度、ガス含有量に応じて、超音波脱泡はバッチ式またはインライン式で行うことができます。ハイパワー超音波プローブが液中に音響キャビテーションを発生させ、液体を効率的に脱気します。
超音波脱気は、加熱、真空、スパージングなどの既存の脱気システムを改善するために実施することもできる。
超音波脱気と脱泡は、水、油、食品、飲料、化学溶液、油圧作動油、冷却剤、掘削油、原油、エマルション、塗料、インク、接着剤、ワニス、コーティング剤、エポキシ、シャンプー、洗剤、その他多くの製品から溶存ガスを除去するために工業規模で使用されています。
 

フローセル装置を用いた超音波脱気。この実験は、容積0.8ガロン、不活性ガス流量0.2sfcm/分、強度275W/cm2の小規模水ループを試作したものである。この結果、酸素除去時間が約70％短縮された。
研究と写真Rubio et al.

インラインセットアップでの超音波脱気装置 UIP1000hdT フローセル付き

超音波スパージング

不活性ガスによる液体のスパージング（不活性ガスパージとも呼ばれる）は、液体から酸素や二酸化炭素などの不要なガスを除去するための一般的な処理である。スパージング用途では、窒素、アルゴン、ヘリウム、その他の不活性ガスが一般的に使用される。高純度（通常は不活性）ガスで溶液をバブリングすることで、酸素や二酸化炭素のような望ましくない、通常は反応性の溶存ガスを除去することができる。スパージング・プロセスは物質移動に依存しており、それ自体かなり時間のかかる手順である。不活性ガスによるスパージングを強化するために、液体-気体溶液はしばしば激しく撹拌され、長時間バブリングされる。超音波処理は脱ガス強化技術であり、物質移動を改善し、それによってスパージングを大幅に改善する。高出力の超音波を液体やスラリーに結合させると、キャビテーション気泡が発生する。このキャビテーション気泡は、大きなパージガスの気泡を小さな気泡に分解し、気泡を均一に分散させるため、より早く、よりクリーンな脱ガス効果が得られます。超音波による激しい撹拌と乱流は、気液の物質移動を促進し、不要なガスの迅速な除去を可能にします。
スパージング手順を加速し、より効率的にするために、高性能超音波を使用して、気体と液体間の物質移動性能を超音波機械的に改善する。音響キャビテーションによって発生するソノメカニカル効果には、局所的な圧力・温度差、微小乱流、撹拌が含まれます。これらの力は、気泡の破砕、分散、およびそれに続く界面積の増加による拡散性物質移動の増加に寄与することにより、脱気性能を向上させ、最終的に液体から封入ガスを迅速に除去します。
所望のアウトガス効果を得るためには、高出力の超音波照射が必要である。二相流で液体を不活性ガスで温存する場合、溶存ガスの物質移動と除去率を高めるために整流拡散が望まれる。低強度では、巻き込まれた溶存ガスの気泡が超音波キャビテーション場への進入を避ける傾向があるため、整流拡散を適用することは困難である。しかし、高強度（300W/cmを超える² 約20kHzの場合）気泡はもはやキャビテーションゾーンを避けられず、ソノメカニカルな力によって分解される。(Jagannathan et al. 2011を参照）。

ハイパワー超音波脱気システム

Hielscher Ultrasonics社は、研究室や工業生産で世界的に使用されている高性能超音波機器の長年の経験を持つメーカーです。液体やスラリーの脱ガスは、気泡やエアポケットを除去するために液体中に確立された振幅をカップリングすることができる高出力超音波プローブを必要とする厳しいアプリケーションです。Hielscher社の超音波プローブは、24時間365日フル稼働できるように設計・製造されています。超音波処理装置は、コンパクトな50ワットの実験用超音波処理装置から、16,000ワットの強力なインライン超音波システムまで取り揃えています。多種多様なブースターホーン、ソノトロード、フローセルにより、液体、粘度、含有ガスに対応した超音波脱気システムの個別設定が可能です。
液体金属の脱気とガス抜きには、正確に設定され維持された振幅が必要です。Hielscher Ultrasonics社では、プロセスに最適化された振幅と温度に指定された高性能超音波プローブを製造しています。お客様の脱ガス用途に特殊な仕様が必要な場合は、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。Hielscherの超音波装置は堅牢であるため、過酷な環境下でも24時間365日の稼動が可能です。

バッチとインライン

脱気用超音波プローブは、バッチ式および連続式のインライン脱気・脱泡に使用できます。容積、粘度、封入ガスに応じて、最適な超音波脱ガスセットアップをご提案します。

あらゆる体積の脱気用超音波プローブ

Hielscher Ultrasonicsの製品レンジは、コンパクトなラボ用超音波処理装置から、ベンチトップやパイロットシステム、トラック1台分の処理能力を持つ産業用超音波処理装置まで、あらゆる超音波処理装置をカバーしています。幅広い製品群により、お客様の液体、処理能力、生産目標に最適な超音波脱気装置を提供することができます。

最適な結果を得るために正確に制御可能な振幅

Hielscher社の超音波脱ガスシステムは、すべて精密に制御可能で、信頼性の高い作業馬です。振幅は、ソノメカニカル脱気の効率と効果を左右する重要なプロセスパラメーターの一つです。全てのHielscher超音波脱気システム’ プロセッサーにより、振幅を正確に設定できます。ソノトロードとブースターホーンは、さらに広い範囲で振幅を変更できるアクセサリーです。Hielscherの工業用超音波プロセッサは、非常に高い振幅を提供し、要求の厳しいアプリケーションに必要な超音波強度を提供することができます。最大200µmの振幅は、24時間365日の連続運転が可能です。
正確な振幅設定とスマートソフトウェアによる超音波プロセスパラメータの常時モニタリングにより、最も効果的な超音波脱ガスのための超音波プロセスパラメータを調整することができます。高効率ガス除去のための最適な超音波処理！
Hielscherの超音波装置は堅牢であるため、過酷な環境下でも24時間365日の稼動が可能です。これにより、Hielscherの超音波装置は、脱気プロセスの要件を満たす信頼性の高い作業ツールとなります。

最高品質 – ドイツで設計・製造

家族経営の企業として、Hielscher社は超音波プロセッサーの最高品質基準を優先しています。すべての超音波処理装置は、ドイツ・ベルリン近郊のテルトウにある本社で設計、製造、徹底的なテストが行われています。Hielscherの超音波装置は、頑丈で信頼性が高いため、お客様の生産現場で活躍します。全負荷、過酷な環境下での24時間365日の稼働は、Hielscherの高性能脱気装置の当然の特徴です。