超音波は、音響キャビテーションと非常に強い物理的力を作成する機械的処理方法です。したがって、超音波は、混合、均質化、粉砕、分散、乳化、抽出、脱気、およびソノ化学反応などの多くの用途に使用されます。
以下では、典型的な超音波アプリケーションとプロセスについてすべて学びます。

超音波均質化

超音波ホモジナイザーは、均一性と分散安定性を向上させるために液体中の小さな粒子を減らします。粒子(分散相)は、液相中に懸濁した固体または液滴であり得る。超音波均質化は、軟質粒子と硬質粒子の削減に非常に効率的です。ヒールシャーは、任意の液体体積の均質化とバッチまたはインライン処理のための超音波装置を製造しています。実験室の超音波装置は1.5mLからおよそ4Lまでの容積のために使用することができる。超音波産業用デバイスは、プロセス開発および商業生産において、0.5〜約2000Lまたは0.1L〜20立方メートル/時間の流量のバッチを処理することができます。
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超音波分散および解凝集

液体への固体の分散および解凝集は、プローブ型超音波装置の重要な用途である。超音波/音響キャビテーションは、個々の単一の分散粒子に粒子凝集体を破壊する高い剪断力を生成します。粉末を液体に混合することは、塗料、ワニス、化粧品、食品および飲料、または研磨媒体などの様々な製品の配合における一般的なステップである。個々の粒子は、ヴァンデルワールス力および液体表面張力を含む様々な物理的および化学的性質の引力によって一緒に保持される。超音波処理は、液体媒体中の粒子を解凝集および分散させるために、これらの引力を克服する。液体中の粉末の分散および解凝集のために、高強度超音波処理は、高圧ホモジナイザー、高剪断ミキサー、ビーズミルまたはローターステーターミキサーの興味深い代替手段である。
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超音波乳化

化粧品やスキンローション、医薬品軟膏、ワニス、塗料、潤滑剤、燃料などの幅広い中間製品および消費者製品は、エマルジョンの全部または一部に基づいています。エマルジョンは、2つ以上の非混和性液相の分散液である。非常に集中的な超音波は、第2相(連続相)の小さな液滴に液相(分散相)を分散させるのに十分な強い剪断を供給する。分散ゾーンでは、破裂するキャビテーション気泡が周囲の液体に集中的な衝撃波を引き起こし、高い液体速度(高剪断)の液体ジェットの形成をもたらす。超音波処理は、それによってマイクロエマルジョンおよびナノエマルジョンの信頼性の高い製造を可能にするターゲットエマルジョンサイズに正確に適合させることができる。
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超音波湿式粉砕及び研削

超音波処理は、粒子の湿式粉砕および微小粉砕のための効率的な手段である。特に超微細サイズのスラリーの製造のために、超音波は多くの利点を有する。コロイドミル(ボールミル、ビーズミルなど)、ディスクミル、ジェットミルなどの従来のサイズ縮小装置よりも優れています。超音波処理は、高濃度および高粘度スラリーを処理することができます – したがって、処理される体積を減少させます.もちろん、超音波粉砕は、セラミックス、顔料、硫酸バリウム、炭酸カルシウムまたは金属酸化物などのミクロンサイズおよびナノサイズの材料を処理するのに適している。特にナノ材料に関しては、超音波処理は、その非常に衝撃的なせん断力が均一に小さなナノ粒子を生成するため、性能に優れています。
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超音波細胞崩壊および溶解

超音波処理は、繊維状のセルロース系物質を微粒子に分解し、細胞構造の壁を破壊することができます。これは、デンプンや砂糖などの細胞内物質の多くを液体に放出する。この効果は、発酵、消化および有機物の他の変換プロセスに使用することができます。粉砕および粉砕後、超音波処理は、例えば、澱粉だけでなく、デンプンを糖に変換する酵素に利用可能な細胞壁の破片などの細胞内材料の多くを作ります。また、液状化または糖化の間に酵素に曝される表面積を増加させます。これは通常、酵母発酵および他の変換プロセスの速度と収率を増加させます, 例えば. バイオマスからのエタノール生産を高めるために.
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植物の超音波抽出

細胞および細胞内粒子に貯蔵された生理活性化合物の抽出は、高強度超音波の広く使用されているアプリケーションです。超音波抽出は、植物および真菌の細胞マトリックスから二次代謝産物(例えば、ポリフェノール)、多糖類、タンパク質、エッセンシャルオイルおよび他の活性成分を単離するために使用されます。有機化合物の水および溶媒抽出に適しており、超音波処理は植物または種子に含まれる植物の収量を大幅に改善します。超音波抽出は、医薬品、栄養補助食品/栄養補助食品、香料および生物学的添加物の製造に使用されます。超音波は、バイオリファイナリーにおける生理活性成分の抽出にも使用されるグリーン抽出技術であり、例えば、工業プロセスで形成された非利用副産物ストリームから貴重な化合物を放出する。超音波は、実験室および生産規模での植物抽出のための非常に効果的な技術です。
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超音波の音響化学応用

ソノケミストリーは、化学反応やプロセスへの超音波の適用です。液体中の音響化学的効果を引き起こすメカニズムは、音響キャビテーションの現象である。化学反応やプロセスに対するソノ化学的効果には、反応速度または出力の増加、より効率的なエネルギー使用量、相転移触媒の性能向上、金属および固体の活性化、試薬や触媒の反応性の増加が含まれます。
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バイオディーゼルへの原油の超音波のエステル交換

超音波処理は、バイオディーゼル燃料への植物油および動物性脂肪のエステル交換の化学反応速度および収率を増加させる。これにより、生産をバッチ処理から連続フロー処理に変更することができ、投資コストと運用コストを削減できます。超音波バイオディーゼル製造の主な利点の1つは、使用済み食用油および他の低品質の油源などの廃油の使用である。超音波エステル交換は、高品質のバイオディーゼル(脂肪酸メチルエステル/ FAME)に低品質の原料でさえも変換することができます。植物油または動物性脂肪からのバイオディーゼル燃料の製造は、対応するメチルエステルまたはエチルエステルを得るために、脂肪酸とメタノールまたはエタノールとの塩基触媒エステル交換を含む。超音波処理は、99%を超えるバイオディーゼル収率を達成することができます。超音波は、処理時間と分離時間を大幅に短縮します。
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液体の超音波脱気および脱気

液体の脱気は、プローブ型超音波装置のもう一つの重要な用途です。超音波振動およびキャビテーションは、液体中の溶存ガスの合体を引き起こす。微小な気泡が合体すると、それらはより大きな気泡を形成し、そこから液体の上面に素早く浮遊し、除去することができる。したがって、超音波脱気および脱気は、自然平衡レベル以下の溶存ガスのレベルを低下させることができる。
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超音波ワイヤー、ケーブルおよびストリップクリーニング

超音波洗浄は、ワイヤやケーブル、テープ、チューブなどの連続材料の洗浄のための環境に優しい代替手段です。強力な超音波キャビテーションの効果は、材料表面から油やグリース、石鹸、ステアリン酸塩やほこりなどの潤滑残留物を削除します。ヒールシャー超音波は、連続プロファイルのインライン洗浄のための様々な超音波システムを提供しています。
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超音波処理が優れた処理方法である理由は何ですか?

超音波処理、または液体を攪拌するための高周波音波の使用は、様々な理由で効率的な処理方法です。ここでは、約20kHzの高強度および低周波での超音波処理が、液体およびスラリーの処理に特に影響し、有利であるいくつかの理由があります。

1. キャビテーション： 超音波処理の主なメカニズムの1つは、キャビテーションと呼ばれる現象である小さな泡の生成と崩壊です。20kHzでは、音波は気泡を効率的に作成および崩壊させるのに適切な周波数です。これらの気泡の崩壊は、粒子を破壊し、超音波処理されている液体中の細胞を破壊することができる高エネルギー衝撃波を生成します。
2. 振動と振動: 生成された音響キャビテーションに加えて、超音波プローブの振動は、液体中で追加の攪拌および混合を作成し、それによって物質移動および/または脱気を促進する。
3. 浸透： 20kHzの音波は波長が比較的長いため、液体に深く浸透することができます。超音波キャビテーションは、超音波プローブの周囲に現れる局在化現象である。プローブまでの距離が長くなると、キャビテーション強度は減少します。しかし、20kHzでの超音波処理は、より短い波長を有し、その浸透深さにおいてより制限され得る高周波超音波処理と比較して、効率的に大量の液体を処理することができる。
4. 低エネルギー消費: 超音波処理は、高圧均質化または機械的攪拌などの他の処理方法と比較して比較的低いエネルギー消費で達成することができる。これにより、液体を処理するためのよりエネルギー効率が高く費用効果の高い方法になります。
5. 線形スケーラビリティ: 超音波プロセスは、より大きなまたはより小さなボリュームに完全に線形にスケーリングすることができます。これにより、製品の品質を継続的に安定して維持できるため、生産におけるプロセスの適応が信頼できます。
6. バッチおよびインライン フロー: 超音波は、バッチまたは連続インラインプロセスとして実行することができます。バッチの超音波処理のために、超音波プローブは、開いた容器または閉じたバッチ反応器に挿入されます。連続フローストリームの超音波処理のために、超音波フローセルが設置されています。液体媒体は、シングルパスまたは再循環でソノトロード(超音波振動ロッド)を通過し、超音波にさらされて非常に均一で効率的です。

全体的に、キャビテーション、低エネルギー消費、およびプロセスのスケーラビリティの強烈な力は、低周波、高出力超音波処理を液体を処理するための効率的な方法にします。

動作原理と超音波処理の使用

超音波処理は、大規模な生産のために多数の産業によって採用されている商業処理技術です。高い信頼性と拡張性だけでなく、低メンテナンスコストと高いエネルギー効率は、超音波プロセッサは、従来の液体処理装置のための良い代替手段になります。超音波は、追加のエキサイティングな機会を提供しています:キャビテーション - 基本的な超音波効果 - 生物学的、化学的、物理的プロセスでユニークな結果を生み出します。例えば、超音波分散および乳化は、安定したナノサイズの製剤を容易に生成する。また、植物抽出の分野では、超音波は生理活性化合物を単離するための非熱的技術である。

低強度または高周波超音波は主に分析、非破壊検査およびイメージングに使用されますが、高強度超音波は液体およびペーストの処理に使用され、そこでは強烈な超音波が混合、乳化、分散および解凝集、細胞崩壊または酵素失活に使用される。高強度で液体を超音波処理するとき、音波は液体媒体を通って伝播する。これにより、高圧(圧縮)サイクルと低圧(希薄化)サイクルが交互に行われ、速度は周波数に依存します。低圧サイクルの間、高強度超音波は液体中に小さな真空気泡または空隙を作り出す。気泡がもはやエネルギーを吸収できない体積に達すると、高圧サイクル中に激しく崩壊する。この現象はキャビテーションと呼ばれます。爆縮の間、非常に高い温度(約5,000K)と圧力(約2,000atm)が局所的に到達します。キャビテーション気泡の爆縮はまた、毎秒最大280メートルの速度の液体ジェットをもたらす。

液体中の超音波キャビテーションは、迅速かつ完全な脱気を引き起こす可能性があります。遊離化学イオン(ラジカル)を生成することによって様々な化学反応を開始する。反応物の混合を容易にすることによって化学反応を促進する。凝集体を分散させることによって、またはポリマー鎖中の化学結合を永久に切断することによって、重合および解重合反応を増強する。乳化率を高める。拡散速度を改善する。ミクロンサイズまたはナノサイズの材料の高濃度エマルジョンまたは均一な分散液を製造する工程と、動物、植物、酵母、または細菌細胞からの酵素などの物質の抽出を支援する。感染した組織からウイルスを除去する。そして最後に、微生物を含む感受性粒子を侵食し、分解する。(クルディローク 2002参照)

高強度超音波は、低粘度の液体中に激しい攪拌を生じさせ、液体中に材料を分散させるために使用することができる。(エンスミンガー、1988年参照)液体/固体界面または気体/固体界面では、キャビテーション気泡の不斉爆縮が極端な乱流を引き起こし、拡散境界層を減少させ、対流物質移動を増加させ、通常の混合が不可能な系における拡散をかなり加速させる可能性がある。(ナイボルグ、1965年参照)

文献

• Seyed Mohammad Mohsen Modarres-Gheisari, Roghayeh Gavagsaz-Ghoachani, Massoud Malaki, Pedram Safarpour, Majid Zandi (2019): Ultrasonic nano-emulsification – A review. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 52, 2019. 88-105.
• Suslick, Kenneth S.; Hyeon, Taeghwan; Fang, Mingming; Cichowlas, Andrzej A. (1995): Sonochemical synthesis of nanostructured catalysts. Materials Science and Engineering: A. Proceedings of the Symposium on Engineering of Nanostructured Materials. ScienceDirect 204 (1–2): 186–192.
• Brad W. Zeiger; Kenneth S. Suslick (2011): Sonofragmentation of Molecular Crystals. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 37, 14530–14533.
• Petigny L., Périno-Issartier S., Wajsman J., Chemat F. (2013): Batch and Continuous Ultrasound Assisted Extraction of Boldo Leaves (Peumus boldus Mol.). International Journal of Molecular Science 14, 2013. 5750-5764.
• Ensminger, D. E. (1988): Acoustic and electroacoustic methods of dewatering and drying, in: Drying Tech. 6, 473 (1988).
• Kuldiloke, J. (2002): Effect of Ultrasound, Temperature and Pressure Treatments on Enzyme Activity an Quality Indicators of Fruit and Vegetable Juices; Ph.D. Thesis at Technische Universität Berlin (2002).
• Nyborg, W.L. (1965): Acoustic Streaming, Vol. 2B, Academic Press, New York (1965).