MultiphaseCavitator – 超音波フローセル用Insert MPC48

MultiphaseCavitatorインサート（Insert MPC48）は、液体／液体または液体／気体の混合物の超音波処理を改善するために設計されています。48本の非常に細いカニューレが、キャビテーション領域内の液相に液体または気体を直接注入します。これにより、非常に小さな浮遊液滴または気泡が形成され、非常に大きな比表面積が得られます。

このインサートは、相間移動反応、 相間移動触媒反応 （PTC）や液液抽出などのエマルション化学に特に有用です。ほかにも興味深い応用分野として、二種類の液体前駆体からの粒子の沈殿生成や超音波結晶化があります。このインサートはHielscherフローセル反応器向けに設計されており、バッチ処理または連続処理が可能です。

一つおよび48個の注入ポート

超音波処理は、乳化と混合に有効な手段です。別々の相をフローセルおよびキャビテーション領域に入る前に合わせる従来の構成とは異なり、このフローセルインサートは二つの相の混合を改善します。液体を48本の細いカニューレから注入すると、非常に細い液流となってフローセルに入ります。このインサートには、内径0.3mm–1.2mmの非常に細い医療用カニューレ48本を使用しています。これらのカニューレは簡単に交換でき、低価格の消耗品です（滅菌済み、約2ct/pc）。超音波キャビテーション（20kHz）が、流入する48本の液流を、フローセル内の液相に入る際に小さな液滴へと分断します。
この設計では、単一の供給源から48本すべてのカニューレに同じ供給圧力をかけることで、カニューレ間の流量を均等にします。

液液反応用超音波反応器への48個の流入ポート

用途と応用

Hielscher超音波反応器は、乳化や、液液相系における相間移動プロセスの反応速度特性または溶解速度の改善によく使用されます。このようなプロセスの例として、過酸化水素による酸化脱硫とそれに続く溶媒抽出、またはトリグリセリドの塩基触媒によるエステル交換反応があります。
一方の試薬相の他方の試薬相への溶解度が限られていることは、エマルション化学プロセスにおける重大な問題です。両相が互いに反応するのは相界面だけだからです。超音波を使用しない場合、二相系では反応速度が低くなり、転化も遅くなります。
このインサートを超音波反応器と併用すると、キャビテーションが強い流体力学的せん断を発生させ、注入された相をサブマイクロメートルおよびナノサイズの液滴に分断します。相界面の比表面積は化学反応速度に影響するため、液滴径のこの大幅な縮小によって反応速度特性が改善し、相間移動剤の必要量を減らせる、または不要にできる可能性があります。より微細なエマルションは、他方の試薬相と同じ接触面積を確保するのに必要な体積が少ないため、注入相の体積百分率を下げられる可能性があります。
このインサートを使用すると、両親媒性の乳化触媒または 相間移動触媒（PTC）、例えば水性液体と有機液体の両方に溶解できる独自の能力を持つ第四級アンモニウム塩などの必要量を減らせる可能性があります。

化学反応における物質移動の促進

二つの試薬相が相界面で反応すると、反応生成物が液滴表面に蓄積し、界面での試薬相同士の相互作用を妨げます。超音波キャビテーションによる流体力学的せん断は、乱流と液滴表面への、また液滴表面からの物質移動を引き起こし、合一とそれに続く新たな液滴の形成を繰り返し生じさせます。時間とともに反応が進むにつれて、超音波処理は試薬の接触機会と相互作用を最大化します。
この効果は、植物油をバイオディーゼルに変換するエステル交換反応や、ジエステルとジオールのエステル交換反応によって高分子を形成するポリエステル合成など、多くのプロセスで利用されています。

乳化処理／乳化

このフローセルインサートは、互いに混ざり合わない液体を混合する際の乳化を改善します。これにより液滴径が小さくなり、粒径分布が狭くなります – これはエマルションの安定性にとって重要な要因です。この設計では、低粘度および中粘度の液体を、重油（HFOs）、ポリマー、ゲルなどの高粘度液体にさえ注入して乳化できます。配合によっては、乳化剤や安定剤の添加が必要になる場合があります。その場合、このインサートは乳化剤の均一な混合に役立ちます。カニューレを通じて複数の相を注入するためのカスタム設計も、ご要望に応じて提供しています。

液液抽出

このインサートは、例えば油相中の溶媒相を微細な乱流状態のエマルションにすることで、液液抽出プロセスを促進します。これによっても相間の接触面積が増加し、抽出が改善するとともに溶媒使用量が減少します。

よりクリーンな燃焼のための含水燃料

船舶や発電に使用される重油などの低品位燃料油は、水と乳化できます。これにより燃焼効率が向上し、NO_x の排出量とすすが大幅に減少します。
含水燃料（エマルション燃料）の超音波乳化について詳しくお読みください！

沈殿生成／超音波結晶化

顔料やナノ粒子は、液体中での沈殿生成によってボトムアップで生成できます。この場合、過飽和混合物は、高濃度の物質から固体粒子や結晶を形成し始めます。これらの粒子は一定の段階まで成長し、最終的に沈殿します。粒子／結晶のサイズと形態を制御するには、前駆体／試薬の混合を制御することが不可欠です。
一般に、沈殿生成プロセスには、混合、過飽和、核生成、粒子成長、凝集が含まれます。最後の凝集は、固体濃度を低くするか、安定剤を使用することで回避されます。ほとんどの沈殿生成プロセスでは反応速度が非常に高いため、混合が極めて重要です。InsertMPC48は、高速で細い注入噴流と、強力な超音波キャビテーションによるせん断を組み合わせます。これにより混合速度と性能が最大化され、より多くの、より小さな粒子が生成されます。

ラボ試験からパイロット規模および生産規模まで

Hielscher Ultrasonicsは、あらゆる規模でこの技術を試験、検証、利用するための装置を提供しています。この方式は既存のプロセスに容易に組み込めます。

1. フローセル底部の液体流入ポートに相Aを供給します
2. フローセル側面の、より小さい液体流入ポート（単数または複数）に相Bを供給します。この供給液は48本の細い管を通じてキャビテーション領域に注入されます
3. フローセルの流出ポートにある背圧弁を使用して反応器の圧力を調整します

ベンチトップ規模では、1kWの超音波処理装置UIP1000hdT は、プロセスの実証と超音波処理パラメータの最適化のために、100–1000L/hr（25–250 gal/hr）の流量で処理できます。Hielscher超音波プロセッサーは、パイロット規模または生産規模でのより大きな処理量へと線形にスケールアップできるように設計されています。下表に処理量と推奨装置サイズを示します。