プローブタイプのソニケーターと超音波バスの比較

プローブ型ソニケーターと超音波バスの違いを理解することで、アプリケーションに最も効率的なオプションを選択することができます。ヒールシャーのプローブタイプソニケーターは、強力な超音波エネルギーを試料に直接集束させるため、処理時間が短縮され、一貫した再現性のある結果が得られます。 これとは対照的に、超音波槽はより広い範囲にエネルギーを分散させるため、強度が非常に低く、キャビテーションもわずかで不均一となる。この低い超音波強度は、しばしば処理時間の延長と劣った結果につながります。

乳化、分散、抽出、粒子径の縮小などの作業では、プローブタイプのソニケーターが均一なせん断力と高強度のキャビテーションを発生させます。 この直接的なアプローチは、困難なアプリケーションに取り組み、小規模なラボ・テストからフル生産まで簡単にスケールアップできる。一方、超音波槽はマイルドな洗浄や低強度の処理には十分かもしれませんが、振幅や温度の精密な制御が必要な、より要求の厳しい作業では苦戦を強いられることがよくあります。信頼性、柔軟性、堅牢な性能が必要な場合、Hielscherのプローブ型ソニケーターは、基本的な超音波槽よりも明らかに優れています。

ソニケーターキャビテーション強度

プローブタイプのソニケーターは、高出力の超音波を液体媒体に直接導入し、音波が液体中に高圧と低圧のサイクルを交互に作り出します。低圧サイクルの間、高強度の超音波が液体中に小さな真空の気泡や空隙を作ります。気泡がエネルギーを吸収できない体積に達すると、高圧サイクルの間に激しく崩壊する。この現象はキャビテーションと呼ばれる。爆縮の間、局所的に非常に高い温度と圧力に達する。キャビテーション気泡の爆縮により、極めて高速の液体ジェットも発生する。
 

背景超音波キャビテーション

Moholkar (2000)は、キャビテーション強度が最も高い領域の気泡は過渡的な運動を起こし、キャビテーション強度が最も低い領域の気泡は安定した振動運動を起こすことを発見した。局所的な温度と圧力の極大値をもたらす気泡の過渡的崩壊は、化学系で観察される超音波の効果の根源である。
超音波の強度は、エネルギー入力とソノトロードの表面積の関数である。与えられたエネルギー入力の場合、ソノトロードの表面積が大きいほど、超音波の強度は低くなります。
超音波は様々なタイプの超音波システムによって発生させることができる。以下では、超音波浴を用いた超音波処理、開放容器内の超音波プローブ装置、フローセルチャンバーを備えた超音波プローブ装置の違いを比較する。

キャビテーション分布の比較

超音波アプリケーションには、超音波プローブ（プローブ型ソニケーター）または超音波バスを使用できます。 “これら2つの超音波処理方法のうち、プローブ超音波処理は、ナノ粒子分散への応用において、超音波浴よりも効果的で強力である。超音波浴装置は、約20～40W/Lの弱い超音波処理を行うことができ、非常に不均一な分布を示すが、超音波プローブ装置は、流体中に20,000W/Lの超音波を供給することができる。従って、超音波プローブ装置は超音波バス装置より1000倍優れていることになる。” (アサディら、2019参照）。

プローブ型ソニケーターと超音波バスの比較：キャビテーション分布の比較

超音波アプリケーションの領域では、プローブ型ソニケーターと超音波浴の両方が重要な役割を果たす。しかし、ナノ粒子分散に関しては、プローブ型ソニケーターが超音波浴を大幅に上回る。Asadi (2019)によると、超音波浴は通常、1リットルあたり約20～40ワットの弱い超音波を発生させ、その分布は極めて不均一である。これとは対照的に、超音波プローブ装置は1リットル当たり20000ワットという驚異的な超音波を液体に供給することができ、超音波バスを1000倍も上回る効果を示す。この顕著な違いは、効率的で均一なナノ粒子分散を実現するプローブ型超音波発生装置の優れた能力を浮き彫りにしています。

超音波バス

超音波槽では、キャビテーションが槽内に不均一に分散して発生する。超音波効果は強度が低く、不均一に広がる。プロセスの再現性と拡張性は非常に悪い。
下の写真は、超音波水槽での箔試験の結果である。水を満たした超音波水槽の底に薄いアルミ箔または錫箔を置く。超音波処理後、単一の浸食痕が見える。箔の穴のあいたスポットや穴は、キャビテーションのホットスポットを示している。エネルギーが低く、超音波がタンク内で不均一に分布するため、浸食痕はスポット的にしか発生しない。したがって、超音波槽は主に洗浄用途に使用される。
 

 
下図は、超音波浴中のキャビテーションによるホットスポットの偏在を示す。図2では、底面積が20×10cmが使われている。
 

 
図3に示す測定では、底面積12x10cmの超音波浴を使用した。

 
両測定結果から、超音波槽内の超音波照射場の分布は非常に不均一であることが明らかになった。また、超音波槽内の様々な位置での超音波照射を調べたところ、超音波槽内のキャビテーション強度に大きな空間的なばらつきがあることがわかった。

下の図4は、アゾ染料メチルバイオレットの脱色で例示した超音波浴と超音波プローブ装置の効率を比較したものである。

Dhanalakshmiらの研究によると、プローブタイプの超音波装置はタンクタイプに比べて局所的な強度が高く、図4に示すように局所的な効果が大きい。これは、超音波処理の強度と効率が高いことを意味する。
写真4に示すような超音波セットアップでは、振幅、圧力、温度、粘度、濃度、リアクター容積など、最も重要なパラメーターを完全に制御することができる。

プローブタイプソニケーターの利点

超音波プローブまたはソノトロードは、通常プローブの先端にある集束領域に超音波エネルギーを集中させるように設計されています。この集束されたエネルギー伝達により、試料を正確かつ効率的に処理することができます。プローブの設計により、超音波エネルギーのかなりの部分が試料に向けられるため、超音波浴と比較してエネルギー伝達が大幅に向上します。この超音波パワーの集中的な伝達は、細胞破砕、ナノ分散、ナノ粒子合成、乳化、植物抽出など、超音波処理パラメーターの精密な制御を必要とするアプリケーションに特に有利です。
そのため、プローブタイプのソニケーターは、精度、制御性、柔軟性、効率性、拡張性の面で、超音波槽とは異なる明確な利点を提供し、幅広い科学的・工業的用途に不可欠なツールとなっている。

オープンビーカー加工用プローブ型ソニケーター

超音波プローブ装置を用いて試料を超音波処理する場合、強力な超音波照射領域はソノトロード/プローブの真下にある。超音波照射距離は、ソノトロー ド先端の一定範囲に限定されます。(写真1参照)
開放ビーカーでの超音波プロセスは、ほとんどの場合、フィージビリティ・テストや少量のサンプル調製に使用される。

インライン処理用フローセル付きプローブ型ソニケーター

最も洗練された超音波処理結果は、クローズドフロースルーモードでの連続処理によって達成されます。すべての材料は、流路と同じ超音波強度で処理され、超音波リアクターチャンバー内の滞留時間は制御されます。

あるパラメータ構成における超音波液体処理の処理結果は、処理体積あたりのエネルギーの関数である。この関数は、個々のパラメーターの変更によって変化します。さらに、超音波ユニットのソノトロードの表面積あたりの実際の出力と強度は、パラメータに依存します。

超音波処理の最も重要なパラメーターを制御することにより、プロセスは完全に再現可能であり、達成される結果は完全にリニアにスケールアップすることができます。様々なタイプのソノトロードと超音波フローセルリアクターにより、特定のプロセス要件に適合させることができます。

まとめ：プローブ型ソニケーターと超音波バスの比較

超音波バスでは、1リットル当たり約20ワットの弱い超音波処理しかできず、その分布も非常に不均一ですが、プローブ型ソニケーターでは、1リットル当たり約20000ワットの超音波を処理液に容易に供給することができます。つまり、超音波プローブ型ソニケーターは、集中的で均一な超音波パワー入力により、超音波バスよりも1000倍優れています（体積あたりのエネルギー入力が1000倍高い）。最も重要な超音波処理パラメーターを完全に制御することで、完全に再現可能な結果とプロセス結果の直線的なスケーラビリティが保証されます。