超音波プロセス強化による効率的バイオリファイナリー

超音波処理は、バイオリファイナリーにおける様々なプロセスに導入されているプロセス強化技術である。超音波処理の恩恵を大きく受ける典型的なプロセスは、抽出、緩慢な不均一反応、および激しい混合、ホモジニアス化、分散を伴うその他のアプリケーションである。超音波処理はプロセスや反応を加速し、より効率的にします。超音波処理によって促進されるプロセスの結果は、高い収率/出力と高い転化率です。

バイオリファイナリーとは？

バイオリファイナリーとは、バイオマス原料から燃料、エネルギー、化学物質などの有益な製品を生産するために、バイオマス変換プロセスと処理装置を統合した生産施設のことである。バイオリファイナリーで処理される典型的なバイオマスには、農業廃棄物や副産物のような原料が含まれ、それらは様々な付加価値のあるバイオベースの製品、例えば食品、飼料、化学物質、バイオエネルギー（バイオ燃料、電力、熱）などにアップサイクルされる。バイオリファイナリーの生産工程は、持続可能で環境に優しいことを目的としている。従来の製油所と同様に、バイオリファイナリーは、最初の原料（バイオマス）を複数の中間体（炭水化物、タンパク質、トリグリセリド）に分画することにより、複数の化学物質を供給することができ、さらに付加価値製品に変換することができる。バイオリファイナリーの主な特徴は、農業廃棄物、都市廃棄物、産業廃棄物などの廃棄物を、無用のバイオマスを価値ある物質に変換する手段によって、価値化し、リサイクル／アップサイクルすることである。

超音波を用いたバイオリファイナリー

超音波処理を統合することで、抽出、消化、分解、トランスエステル化など、多くのプロセスを大幅に効率化することができる。バイオリファイナリーにおける超音波プロセス強化の主な目的は、収率を向上させ、プロセスをより時間的・エネルギー的に効率化し、最終製品の純度と品質を高めることである。超音波処理は、様々なバイオリファイナリー・プロセスに貢献することができる。

ソニケーションの仕組み – 超音波の原理

高性能の超音波処理では、高強度、低周波数の超音波を超音波発生装置で発生させ、超音波プローブ（ソノトロード）を介して液中に送信する。高出力超音波とは、16～30kHzの超音波を指す。超音波プローブは、例えば20kHzで伸縮し、それによって1秒間にそれぞれ20,000回の振動を媒体に伝える。超音波が液体中を伝わるとき、高圧（圧縮）／低圧（希釈または膨張）のサイクルが交互に繰り返され、微細な真空の気泡や空洞が生じ、それが数回の圧力サイクルを経て成長する。液体と気泡の圧縮段階では圧力が正になり、希薄化段階では真空（負圧）になる。圧縮-膨張サイクルの間、液体中の空洞は、それ以上エネルギーを吸収できない大きさになるまで成長する。この時点で、空洞は激しく内破する。これらの空洞の爆縮は、音響／超音波キャビテーション現象として知られる様々な高エネルギー効果をもたらす。音響キャビテーションは、液体、固体/液体系、気体/液体系に影響を与える多様な高エネルギー効果によって特徴付けられる。エネルギー密度の高いゾーンまたはキャビテーションゾーンは、いわゆるホットスポットゾーンとして知られており、超音波プローブの近傍で最もエネルギー密度が高く、ソノトロードからの距離が長くなるにつれて減少します。左の写真は、水中での1kW超音波プローブでの激しいキャビテーションを示しています。超音波キャビテーションの主な特徴には、局所的に発生する非常に高い温度と圧力、およびそれぞれの差、乱流、液体の流動が含まれます。超音波ホットスポットにおける超音波キャビティの爆縮時には、最高5000ケルビンの温度、最高200気圧の圧力、最高時速1000kmの液体ジェットが測定される。これらの卓越したエネルギー強度の条件は、バイオマスや化学システムを様々な形で強化するソノメカニカル効果やソノケミカル効果に寄与する。
バイオマスに対する超音波処理の主な影響は、以下のようなものである：

• ハイシア： 超音波の高剪断力が液体や液体-固体系を破壊し、激しい攪拌、均質化、物質移動を引き起こす。
• インパクトがある： 超音波キャビテーションによって発生する液体の噴流や流水は、液体中の固体を加速させ、その結果、粒子間衝突が発生する。超高速で粒子が衝突すると、粒子は浸食され、砕け散り、微細に粉砕・分散される。植物組織やバイオ廃棄物のような生物学的物質では、高速液体ジェットと交互の圧力サイクルが細胞壁を破壊し、細胞内物質を放出する。その結果、生物活性化合物を高効率で抽出し、バイオマスを均一に混合することができる。
• 動揺している： 超音波処理は、液体やスラリーに激しい乱流、せん断力、微小運動を引き起こします。これにより、超音波処理は常に物質移動を促進し、反応やプロセスを加速します。

バイオリファイナリー用高性能超音波プロセッサー

Hielscher Ultrasonic社は、ホモジナイゼーション、混合、細胞破砕、分解、抽出、分散、脱気、化学反応開始などの高性能アプリケーション用の高剪断超音波ミキサーを製造・販売しています。超音波リアクターは、様々なプロセスの効率、収率、変換率を向上させるために、世界中のバイオリファイナリーで導入されています。
バイオリファイナリー・プロセスのための高性能超音波装置は、ベンチトップ、パイロット、工業用設備としてすぐにご利用いただけます。抽出、分解、溶解、物質移動の改善、均質化、脱気などの超音波アプリケーションは、すでに確立されたプロセスであるため、最初の試験から、お客様固有のプロセス要件に最適化し、完全な工業用超音波分離・浸出システムを設置するまでの移行は、迅速かつ簡単です。
Hielscher Ultrasonics社は、あらゆるサイズと容量の高性能超音波処理装置を提供しています。UIP16000（16kW）により、Hielscher社は世界で最もパワフルな超音波処理装置を製造しています。UIP16000だけでなく、他のすべての工業用超音波システムは、必要な処理能力に簡単にクラスタ化することができます。全てのHielscher社製超音波処理装置は、24時間365日の全負荷運転や過酷な環境下での運転に対応できるように設計されています。

あらゆる体積に対応する超音波プローブとソノリアクター

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、お客様のアプリケーション、処理能力、生産目標に最適な超音波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の超音波プロセッサーはすべて、精密に制御可能であり、その結果、R.I.S.における信頼性の高い作業馬となります。&Dと生産。振幅は、超音波化学的および超音波機械的に誘導される反応の効率と効果に影響を与える重要なプロセスパラメーターの一つです。すべてのHielscher Ultrasonics’ 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条件でバイオマスを処理することができます。最も効率的なバイオマスのアップサイクルのための最適な超音波処理！
Hielscher社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、バイオリファイニング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。24時間365日、全負荷かつ過酷な環境下での稼働は、Hielscherの高性能超音波プローブとリアクターの当然の特徴です。弊社の熟練したチームが、プロセス知識、トレーニング、サポートでお客様をサポートいたします。

下の表は、超音波処理装置の処理能力の目安です：