液体、スラリー、化学反応のための超音波処理

超音波処理は、音響キャビテーションと非常に強い物理的な力を生み出す機械的な処理方法です。そのため、超音波は混合、均質化、粉砕、分散、乳化、抽出、脱気、ソノケミカル反応など、数多くの用途に使用されています。

下の表で用途を見つけ、リンクをクリックすると、関心のあるプロセスに直接移動できます。超音波処理がプロセスとその効率をどのように改善するかをご覧ください。

超音波均質化

超音波ホモジナイザーは、液体中の微小粒子をさらに小さくし、均一性と分散安定性を向上させます。粒子（分散相）は、液相に懸濁した固体または液滴です。超音波均質化は、軟らかい粒子と硬い粒子の微細化に非常に効率的です。Hielscherは、あらゆる液量の均質化と、バッチ処理またはインライン処理のための超音波処理装置を製造しています。研究室用超音波装置は、1.5mLから約4Lまでの液量に使用できます。産業用超音波装置は、プロセス開発および商業生産において、0.5から約2000Lまでのバッチ、または0.1Lから毎時20立方メートルまでの流量を処理できます。
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超音波分散と解凝集

固体を液体中に分散・解凝集させることは、プローブ型超音波処理装置の重要な用途です。超音波／音響キャビテーションは強いせん断力を発生させ、粒子凝集体を個々の単独の分散粒子に分解します。粉末を液体に混合することは、塗料、ワニス、化粧品、食品・飲料、研磨媒体など、さまざまな製品の配合における一般的な工程です。個々の粒子は、ファンデルワールス力や液体の表面張力など、さまざまな物理的・化学的な引力によって結び付いています。超音波処理はこれらの引力を克服し、液体媒体中で粒子を解凝集・分散させます。液体中での粉末の分散と解凝集において、高強度の超音波処理は、高圧ホモジナイザー、高せん断ミキサー、ビーズミル、ローター・ステーターミキサーに代わる興味深い選択肢です。
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超音波乳化

化粧品やスキンローション、医薬用軟膏、ワニス、塗料、潤滑剤、燃料など、幅広い中間製品および消費者向け製品は、全体または一部がエマルションを基盤としています。エマルションは、互いに混ざり合わない二つ以上の液相からなる分散系です。非常に強度の高い超音波は、液相（分散相）を別の相（連続相）中に微小液滴として分散させるのに十分な強いせん断を与えます。分散領域では、キャビテーション気泡の爆縮が周囲の液体に強い衝撃波を生じさせ、高い流速を持つ液体ジェット（高せん断）を形成します。超音波処理は、目標とするエマルションの液滴サイズに合わせて精密に調整できるため、マイクロエマルションとナノエマルションを確実に製造できます。
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超音波湿式粉砕と微粉砕

超音波処理は、粒子の湿式粉砕と微粉砕に効率的な手段です。特に超微粒子スラリーの製造では、超音波には多くの利点があります。コロイドミル（例：ボールミル、ビーズミル）、ディスクミル、ジェットミルなど、従来の微細化装置よりも優れています。超音波処理は高濃度・高粘度のスラリーを処理できるため、処理すべき体積を削減できます。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、金属酸化物など、マイクロメートルサイズやナノサイズの材料の処理に適しています。特にナノ材料では、超音波処理の非常に強力なせん断力が均一に小さなナノ粒子を作り出すため、優れた性能を発揮します。
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超音波粉砕前後の噴霧乾燥TiO2

超音波による細胞破砕と溶解

超音波処理は、繊維質のセルロース材料を微粒子に分解し、細胞構造の壁を破壊できます。これにより、デンプンや糖などの細胞内物質が、より多く液体中に放出されます。この効果は、有機物の発酵、消化、その他の変換プロセスに利用できます。粉砕や微粉砕の後に超音波処理を行うと、デンプンなどの細胞内物質や細胞壁の破片が、デンプンを糖に変換する酵素にとって、より多く利用可能になります。また、液化や糖化の際に酵素にさらされる表面積も増加します。これにより、通常、酵母発酵やその他の変換プロセスの速度と収率が向上し、例えばバイオマスからのエタノール生産を増やすことができます。
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植物成分の超音波抽出

細胞や細胞内粒子に蓄えられた生理活性化合物の抽出は、高強度超音波の広く利用されている用途です。超音波抽出は、植物や菌類の細胞マトリックスから、二次代謝産物（例：ポリフェノール）、多糖類、タンパク質、精油、その他の有効成分を分離するために使用されます。有機化合物の水抽出と溶媒抽出に適した超音波処理は、植物や種子に含まれる植物成分の収率を大幅に向上させます。超音波抽出は、医薬品、ニュートラシューティカル／栄養補助食品、香料、生物由来の添加物の製造に使用されます。超音波は環境に配慮した抽出技術であり、バイオリファイナリーでの生理活性成分の抽出にも使用されています。例えば、産業プロセスで生じる未利用の副産物流から、有用な化合物を放出させます。超音波処理は、研究室規模および生産規模での植物成分抽出に非常に有効な技術です。
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超音波のソノケミストリーへの応用

ソノケミストリーは、化学反応やプロセスに超音波を応用することです。液体中でソノケミカル効果を引き起こす機構は、音響キャビテーションという現象です。化学反応やプロセスに対するソノケミカル効果には、反応速度や生成量の増加、エネルギー利用の効率化、相間移動触媒の性能向上、金属や固体の活性化、試薬や触媒の反応性の向上などがあります。
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油（廃油）をバイオディーゼルに変換する超音波エステル交換

超音波処理は、植物油や動物性脂肪をバイオディーゼルに変換するエステル交換反応の化学反応速度と収率を向上させます。これにより、生産をバッチ処理から連続流処理に切り替えることができ、設備投資と運転コストを削減できます。超音波によるバイオディーゼル製造の主な利点の一つは、使用済み食用油やその他の低品質な油原料などの廃油を利用できることです。超音波エステル交換は、低品質な原料でも高品質なバイオディーゼル（脂肪酸メチルエステル／FAME）に変換できます。植物油や動物性脂肪からのバイオディーゼル製造では、脂肪酸とメタノールまたはエタノールの塩基触媒によるエステル交換を行い、対応するメチルエステルまたはエチルエステルを生成します。超音波処理は、99%を超えるバイオディーゼル収率を達成できます。超音波は処理時間と分離時間を大幅に短縮します。
超音波を利用して油をバイオディーゼルに変換するエステル交換について詳しくはこちらをご覧ください！

超音波による液体の脱気、脱空気、消泡

液体の脱気は、プローブ型超音波処理装置のもう一つの重要な用途です。超音波振動と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します。微小な気泡が合体すると、より大きな気泡を形成し、液体の表面まで素早く浮上するため、そこから除去できます。このように、超音波による脱気と脱空気は、溶存ガス濃度を自然平衡濃度より低くすることができます。
液体の超音波脱気について詳しくはこちらをご覧ください！

ワイヤー、ケーブル、帯材の超音波洗浄

超音波洗浄は、ワイヤーやケーブル、テープ、管などの連続材料を洗浄するための、環境に配慮した選択肢です。強力な超音波キャビテーションの作用により、油やグリースなどの潤滑剤残留物、石けん、ステアリン酸塩、ほこりを材料表面から除去します。Hielscher Ultrasonicsは、連続した異形材のインライン洗浄用に、さまざま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、すなわち高周波の音波を用いて液体を撹拌する方法は、さまざまな理由から効率的な処理方法です。約20kHzの低周波で高強度の超音波処理が、液体やスラリーの処理に特に大きな効果と利点をもたらす理由を以下に示します。

1. キャビテーション： 超音波処理の主要な機構の一つは、微小な気泡の生成と崩壊であり、この現象をキャビテーションと呼びます。20kHzでは、音波は気泡を効率的に生成・崩壊させるのにちょうど適した周波数です。これらの気泡の崩壊は高エネルギーの衝撃波を生み出し、超音波処理中の液体内で粒子を分解し、細胞を破砕することができます。
2. 振動と振動運動： 発生する音響キャビテーションに加えて、超音波プローブの振動が液体中にさらなる撹拌と混合を生み出し、それによって物質移動および／または脱気を促進します。
3. 浸透： 20kHzの音波は比較的長い波長を持つため、液体の深部まで浸透できます。超音波キャビテーションは、超音波プローブの周囲に生じる局所的な現象です。プローブからの距離が増すにつれて、キャビテーションの強度は低下します。しかし、20kHzの超音波処理は、波長が短く、浸透深さがより制限される可能性のある高周波の超音波処理と比較して、より大きな液量を効率的に処理できます。
4. 低エネルギー消費： 超音波処理は、高圧均質化や機械的撹拌などの他の処理方法と比較して、比較的少ないエネルギー消費で実施できます。このため、液体処理において、よりエネルギー効率が高く、費用対効果の高い方法となります。
5. 線形のスケーラビリティ： 超音波プロセスは、より大きな体積にも小さな体積にも、完全に線形にスケールを変更できます。製品品質を継続して安定した状態に維持できるため、生産におけるプロセス調整を確実に行えます。
6. バッチ処理とインライン流動処理： 超音波処理は、バッチ処理または連続インラインプロセスとして実施できます。バッチの超音波処理では、超音波プローブを開放容器または密閉型バッチ反応器に挿入します。連続流の超音波処理では、超音波フローセルを設置します。液体媒体は、シングルパスまたは再循環でソノトロード（超音波振動する棒）のそばを通過し、非常に均一かつ効率的に超音波にさらされます。

全体として、強いキャビテーション力、低エネルギー消費、プロセスのスケーラビリティにより、低周波・高出力の超音波処理は、液体を処理するための効率的な方法となります。

超音波処理の動作原理と用途

超音波処理は、多くの産業で大規模生産に採用されている商業用処理技術です。高い信頼性とスケーラビリティに加え、低い保守コストと高いエネルギー効率により、超音波処理装置は従来の液体処理装置に代わる優れた選択肢となります。超音波は、さらに魅力的な可能性をもたらします。キャビテーション – 超音波の基本的な作用 – は、生物学的、化学的、物理的プロセスで独特の結果を生み出します。例えば、超音波分散と乳化により、安定したナノサイズの製剤を容易に製造できます。また、植物成分抽出の分野でも、超音波は生理活性化合物を分離するための非熱的な技術です。

超音波混合は、音響キャビテーションと、それによる流体力学的せん断力に基づいています。

低強度または高周波の超音波は主に分析、非破壊検査、画像化に使用される一方、高強度の超音波は液体やペーストの処理に使用されます。そこでは、強い超音波が混合、乳化、分散と解凝集、細胞破砕、酵素の失活に用いられます。液体を高強度で超音波処理すると、音波が液体媒体中を伝播します。その結果、高圧（圧縮）と低圧（希薄化）の周期が交互に生じ、その繰り返し速度は周波数に依存します。低圧周期では、高強度の超音波が液体中に小さな真空気泡や空洞を作り出します。気泡が、それ以上エネルギーを吸収できない体積に達すると、高圧周期中に激しく崩壊します。この現象をキャビテーションと呼びます。爆縮の際には、局所的に非常に高い温度（約5,000K）と圧力（約2,000atm）に達します。キャビテーション気泡の爆縮は、最大毎秒280メートルの速度の液体ジェットも生み出します。

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ことができます。また、遊離化学イオン（ラジカル）を生成してさまざまな化学反応を開始させ、反応物の混合を促進して化学反応を加速させ、凝集体の分散やポリマー鎖内の化学結合の恒久的な切断によって重合反応と解重合反応を促進し、乳化速度を高め、拡散速度を向上させ、高濃度エマルションやマイクロメートルサイズまたはナノサイズの材料の均一な分散液を製造し、動物、植物、酵母、細菌の細胞から酵素などの物質を抽出するのを助け、感染組織からウイルスを除去し、さらに微生物を含む影響を受けやすい粒子を侵食・分解することができます。（参照：Kuldiloke 2002）

高強度の超音波は、低粘度の液体中に激しい撹拌を生み出し、液体中への材料の分散に利用できます。（参照：Ensminger, 1988）液体／固体または気体／固体の界面では、キャビテーション気泡の非対称な爆縮が極めて強い乱流を引き起こすことがあります。これにより拡散境界層が薄くなり、対流による物質移動が増加し、通常の混合が不可能な系で拡散が大幅に加速します。（参照：Nyborg, 1965）

参考文献

• 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).