超音波を用いた液体の高効率脱気

脱ガスやガス放出は非常に時間のかかる工程となることが多いものの、超音波処理によって気泡の合体と上昇を大幅に加速できます。超音波によるガス放出は、バッチ構成とインライン構成で実施でき、不活性ガスによるスパージング、インペラー式脱ガス装置、加熱、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もできます。

液体からのガス除去

脱気、脱ガス、ガス放出という用語は、流体から遊離ガスと溶存ガス、特に酸素やCO2などの反応性ガスを除去することを指します。酸素の除去は、最終製品の有害な変化を防ぎ、後工程を改善するために重要です。脱ガスは、多くの用途や産業で必要な処理工程です。工業生産では、製品の安定性、品質、および一貫した製品基準を確保するために、脱ガスが一般的な工程として用いられています。酸素は、さまざまな面で製品の品質と安定性に影響を与える要因です。
そのため、脱気は食品・飲料、化学、製薬、化粧品業界で確立された工程となっています。また、実験室でも、分析前（例えばHPLC、アッセイ、粒子測定などの前）にサンプルの脱ガスが必要となることがよくあります。
例えば、高せん断ブレードミキサーや回転インペラーミキサーを用いた混合工程では、これらの混合技術が通常、大量のガスを製品に取り込むため、混合後に製品の脱ガスが必要となることがよくあります。このように取り込まれたガスや空気は、油脂を酸敗させたり、酸化、変色、望ましくないにおいや味の変化によって製品を劣化させたりするため、通常、製品に悪影響を与えます。 脱ガスされた製品は化学的により安定し、保存期間も長くなるため、脱ガスは信頼できる技術を必要とする不可欠な工程です。
 

超音波脱ガス：油中に取り込まれた気泡を 超音波装置UP400Stを用いて除去

超音波による脱ガスと脱気

超音波による脱ガスと脱気は、沸騰、真空までの減圧、不活性ガスによるスパージングなど、従来の液体脱ガス法に代わる非常に強力な方法です。これらの従来法には、熱劣化（加熱によるもの）、時間とエネルギーを消費する処理、ガス除去の不足といった欠点が伴うことがよくあります。超音波脱ガスは、音響キャビテーションの動作原理に基づいています。高出力超音波を液体に結合すると、高圧サイクルでは液体が圧縮され、低圧サイクルでは膨張します。低圧サイクルでは、微小な真空気泡（いわゆるキャビテーション気泡）が生成され、複数の圧力サイクルを経て成長します。この気泡成長のサイクル中に、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します。さらに、微小乱流と液体ジェットが強い撹拌と物質移動を引き起こします。超音波によって生じるこれらの条件は、気泡の合体を引き起こします。これは、小さな溶存ガスの気泡がより大きな気泡へと一体化することであり、大きくなった気泡は液面へ速やかに上昇し、そこで液体から抜け出します。
超音波振動とキャビテーションによる温度変化は、ごく小さな局所的領域に限られ、液体全体の温度上昇は製品品質に影響しないため、無視できます。
 

超音波装置UP400Stを用い、超音波周波数24 kHz、振幅100 %、80 %、60 %、40%、20 %で処理した際の、時間経過に伴う溶存酸素の減少。
研究：©Rognerud et al., 2020.

 
液体またはスラリーの体積、粘度、ガスの混入状態に応じて、超音波脱気はバッチ工程またはインライン工程として実施できます。高出力超音波プローブが液体中に音響キャビテーションを放出することで、液体を効率的に脱ガスします。
超音波脱ガスは、加熱、真空、スパージングなど、既存の脱ガスシステムを改善するために導入することもできます。
超音波による脱ガスと消泡は、水、油、食品・飲料、化学溶液、作動油、冷却液、掘削流体、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、エポキシ樹脂、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。
 

フローセル構成を用いた超音波脱ガス。この実験では、容量0.8ガロン、不活性ガス流量0.2 sfcm/min、強度275 W/cm2の小規模な水循環ループの試作機を使用しました。酸素除去時間が約70%短縮されることが示されています。
研究および画像：Rubio et al. 2016

超音波装置 UIP1000hdT とフローセルを用いたインライン構成での超音波脱ガス。

超音波で強化するスパージング

液体への不活性ガスによるスパージング（不活性ガスパージとも呼ばれます）は、酸素や二酸化炭素などの不要なガスを液体から除去する一般的な処理です。スパージングには、窒素、アルゴン、ヘリウムなどの不活性ガスが一般的に使用されます。高純度のガス（通常は不活性ガス）を溶液中で気泡として通すと、酸素や二酸化炭素など、通常は反応性を持つ不要な溶存ガスを取り除くことができます。スパージング工程は物質移動に依存し、それ自体はかなり時間のかかる処理です。不活性ガスによるスパージングを強化するため、液体とガスからなる溶液を激しく撹拌し、長時間にわたりガスを気泡として通すことがよくあります。超音波処理は脱ガスを強化する技術であり、物質移動を改善することで、スパージングを大幅に向上させます。高出力超音波を液体やスラリーに結合すると、キャビテーション気泡が生成されます。これらのキャビテーション気泡は、大きなパージガス気泡を小さな気泡に分裂させ、気泡を均一に分散させるため、より速く、よりクリーンな脱ガス効果が得られます。超音波処理による強い撹拌と乱流は気液間の物質移動を促進し、不要なガスの迅速な除去につながります。
スパージング処理を加速し、効率を高めるために、高性能超音波を用いて気液間の物質移動性能を超音波の機械的作用によって改善します。音響キャビテーションによって生じる超音波の機械的作用には、局所的な圧力差と温度差、微小乱流、撹拌が含まれます。これらの力は、気泡の分裂、分散、およびそれに伴う界面積の増加によって、拡散による物質移動の増大に寄与し、脱ガス性能を向上させます。その結果、液体中に取り込まれたガスを速やかに除去できます。
所望のガス放出効果を得るには、高出力の超音波処理が必要です。二相流で液体を不活性ガスによりスパージングする場合、溶存ガスの物質移動と除去速度を高めるために、整流拡散が望まれます。低い強度では、取り込まれた気泡や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、整流拡散の適用は困難な場合があります。しかし、強度を高めると（300 W/cm² を超える強度、周波数約20 kHz）、気泡はキャビテーション領域を避けなくなり、超音波の機械的な力によって分裂します。（参照：Jagannathan et al. 2011）

高出力超音波脱ガスシステム

Hielscher Ultrasonicsは、長年の経験を持つ高性能超音波装置メーカーであり、その装置は世界中の実験室や工業生産で使用されています。液体やスラリーの脱ガスは要求の厳しい用途であり、取り込まれた気泡や空気溜まりを除去するために、設定された振幅の振動を液体に結合できる高出力超音波プローブを必要とします。Hielscherのすべての超音波装置は、全負荷で24時間・週7日運転できるように設計・製造されています。超音波プロセッサーは、コンパクトな50ワットの実験室用超音波装置から、16,000ワットの強力なインライン超音波システムまで揃っています。多様なブースターホーン、ソノトロード、フローセルによって、液体、粘度、ガスの混入状態に合わせた超音波脱ガスシステムを個別に構成できます。
液体金属の脱気とガス放出には、振幅を精密に設定し、維持する必要があります。Hielscher Ultrasonicsは、各工程に高度に最適化された振幅と温度に対応する仕様の高性能超音波プローブを製造しています。脱ガス用途に特殊な仕様が必要な場合は、カスタム仕様の超音波ソノトロードをご利用いただけます。Hielscherの超音波装置は堅牢であるため、高負荷や過酷な環境でも24時間・週7日運転が可能です。

バッチおよびインライン

Hielscherの脱ガス用超音波プローブは、バッチおよび連続インラインでの脱ガスと脱気に使用できます。体積、粘度、取り込まれたガスに応じて、最適な超音波ガス放出構成をご提案します。

あらゆる容量の脱ガスに対応する超音波プローブ

Hielscher Ultrasonicsの製品ラインアップは、コンパクトな実験室用超音波装置から、卓上システム、パイロットシステム、毎時トラック積載量単位の処理能力を持つ本格的な産業用超音波プロセッサーまで、超音波プロセッサーの全領域を網羅しています。この充実した製品ラインアップにより、お客様の液体、処理能力、生産目標に最適な超音波脱ガス装置をご提供できます。

最適な結果を得るための精密な振幅制御

Hielscherのすべての超音波脱ガスシステムは精密に制御できるため、信頼できる実用機として活躍します。振幅は、超音波の機械的作用による脱ガスの効率と有効性に影響する重要な工程パラメーターの一つです。Hielscher Ultrasonicsのすべてのプロセッサーは、振幅を精密に設定できます。ソノトロードとブースターホーンは、振幅をさらに広い範囲で変更できるアクセサリーです。Hielscher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、要求の厳しい用途に必要な超音波強度を提供します。最大200µmの振幅でも、24/7の連続運転を容易に実施できます。
精密な振幅設定と、スマートソフトウェアによる超音波工程パラメーターの常時監視により、最も効果的な超音波脱ガスを実現するように超音波工程パラメーターを調整できます。最適な超音波処理で、高効率のガス除去を実現！
Hielscherの超音波装置は堅牢であるため、高負荷や過酷な環境でも24/7運転が可能です。そのため、Hielscherの超音波装置は、お客様の脱気工程の要件を満たす信頼できる作業装置となります。

最高品質 – ドイツで設計・製造

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に最高の品質基準を優先しています。すべての超音波装置は、ドイツのベルリン近郊にあるテルトーの本社で設計・製造され、徹底的に試験されています。Hielscherの超音波装置は、その堅牢性と信頼性によって、お客様の生産現場で頼れる実用機として活躍します。全負荷や過酷な環境での24時間・週7日運転は、Hielscherの高性能脱ガス装置が本来備えている特性です。