超音波アプリケーションとプロセス

超音波処理は、音響キャビテーションと非常に強力な物理的力を発生させる機械的処理方法である。そのため、超音波は混合、均質化、粉砕、分散、乳化、抽出、脱気、超音波化学反応など、数多くの用途に使用されています。
以下では、代表的な超音波アプリケーションとプロセスについてご紹介します。

超音波ホモジナイジング

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、液体中の小粒子を減少させる。粒子（分散相）は、液相に懸濁した固体または液滴である。超音波ホモジナイザーは、柔らかい粒子や硬い粒子の低減に非常に効果的です。Hielscher社は、あらゆる液量のホモジナイザー、バッチ処理用またはインライン処理用の超音波装置を製造しています。実験室用超音波装置は、1.5mLから約4Lの液量に使用できます。工業用超音波装置は、0.5～約2000Lのバッチ、または毎時0.1L～20立方メートルの流量を、プロセス開発や商業生産で処理することができます。
超音波ホモジナイジングについての詳細はこちらをご覧ください！

超音波分散と脱凝集

液体中への固体の分散および脱凝集は、プローブ型超音波発生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、粒子の凝集を個々の単一分散粒子に破壊する高いせん断力を発生させます。粉体を液体に混合することは、塗料、ワニス、化粧品、食品、飲料、研磨剤など、さまざまな製品の処方において一般的なステップです。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、様々な物理的・化学的性質の引力によって互いに保持されている。超音波処理は、これらの吸引力に打ち勝ち、液体媒体中で粒子を凝集・分散させる。液体中の粉体の分散・脱凝集には、高圧ホモジナイザー、ハイシアミキサー、ビーズミル、ローター・ステーター・ミキサーに代わるものとして、高強度超音波処理が有効です。
超音波分散・脱凝集についての詳細はこちらをご覧ください！

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、潤滑油、燃料など、さまざまな中間・消費者向け製品は、その全部または一部がエマルションをベースにしている。エマルションは、2つ以上の混じり合わない液相の分散体です。高強度超音波は、液相（分散相）を第2の相（連続相）中に小滴状に分散させるのに十分な強度のせん断力を供給する。分散ゾーンでは、崩壊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、その結果、高い液速度（高せん断）の液体ジェットが形成されます。超音波処理は、目標とするエマルションサイズに正確に適合させることができるため、マイクロエマルションやナノエマルションを確実に製造することができます。
超音波乳化についての詳細はこちらをご覧ください！

超音波湿式粉砕と研削

超音波は、粒子の湿式粉砕と微粉砕のための効率的な手段である。特に超微粒子スラリーの製造において、超音波には多くの利点があります。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粒度分布測定装置よりも優れています。超音波粉砕は、高濃度で高粘度のスラリーを処理できるため、処理量を減らすことができます。もちろん、超音波粉砕は、セラミック、顔料、硫酸バリウム、炭酸カルシウム、金属酸化物など、ミクロンサイズやナノサイズの材料の処理にも適しています。特にナノ材料に関しては、その衝撃性の高いせん断力によって均一な小さなナノ粒子が生成されるため、超音波ミリングは優れた性能を発揮します。
超音波湿式粉砕と微粉砕についての詳細はこちらをご覧ください！

超音波粉砕前後の噴霧乾燥TiO2

超音波による細胞崩壊と溶解

超音波処理は、繊維状のセルロース系素材を細かい粒子に分解し、細胞構造の壁を壊すことができる。これにより、デンプンや糖などの細胞内物質が液体中に多く放出される。この効果は、発酵、消化、その他の有機物の変換プロセスに利用できる。粉砕・摩砕後、超音波処理によって、デンプンなどの細胞内物質や細胞壁の残骸が、デンプンを糖に変換する酵素に利用されやすくなる。また、液化や糖化の際に酵素にさらされる表面積も増える。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、バイオマスからのエタノール生産が促進される。
細胞構造の超音波分解についての詳細はこちら！

植物の超音波抽出

細胞や細胞内粒子に蓄積された生物活性化合物の抽出は、高強度超音波の応用として広く用いられている。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（ポリフェノールなど）、多糖類、タンパク質、エッセンシャルオイル、その他の有効成分を単離するために使用されます。有機化合物の水抽出や溶媒抽出に適した超音波抽出は、植物や種子に含まれる植物の収量を大幅に向上させます。超音波抽出は、医薬品、栄養補助食品、香料、生物学的添加物の製造に使用されています。超音波は、バイオリファイナリーにおける生物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る非利用副産物の流れから価値ある化合物を放出する。超音波法は、ラボや生産規模での植物抽出に非常に効果的な技術である。
超音波抽出についての詳細はこちらをご覧ください！

超音波のソノケミカル応用

ソノケミストリーとは、化学反応やプロセスに超音波を応用することである。液体中でソノケミカル効果を引き起こすメカニズムは、音響キャビテーション現象である。化学反応やプロセスへのソノケミカル効果には、反応速度や出力の増大、より効率的なエネルギー使用、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増大などがある。
超音波のソノケミカル効果についてはこちらをご覧ください！

超音波による油のバイオディーゼルへのエステル交換

超音波処理により、植物油や動物油脂のバイオディーゼルへのトランスエステル化の化学反応速度と収率が向上する。これにより、バッチ処理から連続フロー処理への生産転換が可能になり、投資コストと運転コストの削減が可能になる。超音波バイオディーゼル製造の大きな利点のひとつは、使用済み食用油などの質の悪い廃油を利用できることである。超音波トランスエステル化は、低品質の原料であっても高品質のバイオディーゼル（脂肪酸メチルエステル／FAME）に変換することができる。植物油や動物性脂肪からバイオディーゼルを製造するには、脂肪酸をメタノールやエタノールで塩基触媒によりトランスエステル化し、対応するメチルエステルやエチルエステルを得る必要がある。超音波処理により、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る。超音波は処理時間と分離時間を大幅に短縮する。
超音波による油のバイオディーゼルへのトランスエステル化についての詳細はこちらをご覧ください！

液体の超音波脱気と脱泡

液体の脱気もプローブ型超音波発生装置の重要な用途の一つである。超音波振動とキャビテーションにより、液体中の溶存ガスが合体する。微細な気泡が合体すると、より大きな気泡が形成され、液体の上面に速やかに浮上し、そこから気泡を除去することができる。このように、超音波脱気・脱泡は、溶存ガスのレベルを自然平衡レベル以下に下げることができる。
液体の超音波脱気についてはこちらをご覧ください！

超音波ワイヤー、ケーブル、ストリップ洗浄

超音波洗浄は、ワイヤーやケーブル、テープやチューブなどの連続材料の洗浄に適した、環境に優しい洗浄方法です。強力な超音波キャビテーションの効果により、材料表面のオイルやグリース、石鹸、ステアリン酸塩、ほこりなどの潤滑残留物を除去します。Hielscher Ultrasonics社は、連続形状のインライン洗浄用に様々な超音波システムを提供しています。
連続プロファイルの超音波洗浄について詳しくはこちらをご覧ください！

ソニケーションが優れた加工法である理由とは？

ソニケーション、すなわち高周波音波を使用して液体を攪拌することは、様々な理由から効率的な処理方法です。ここでは、約20kHzの高強度・低周波音波によるソニケーションが、液体やスラリーの処理に特にインパクトがあり、有利である理由をいくつか紹介する：

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気泡の生成と崩壊です。20kHzの音波は、効率的に気泡を発生させ、崩壊させるのに適した周波数です。この気泡の崩壊により、高エネルギーの衝撃波が発生し、超音波処理された液体中の粒子を分解し、細胞を破壊することができる。
2. 発振と振動： 発生する音響キャビテーションの他に、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じさせ、それによって物質移動および／または脱ガスが促進される。
3. 浸透している： 20kHzの音波は比較的波長が長く、液体に深く浸透することができる。超音波キャビテーションは、超音波プローブの周囲に局所的に発生する現象です。プローブまでの距離が長くなるにつれて、キャビテーションの強度は減少する。しかし、20kHzの超音波処理では、波長が短く浸透深度に制限がある高周波の超音波処理と比較して、より大量の液体を効率的に処理することができる。
4. 低エネルギー消費： ソニケーションは、高圧ホモジナイゼーションや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行うことができる。このため、液体を処理する方法としては、エネルギー効率が高く、費用対効果に優れています。
5. リニアなスケーラビリティ： 超音波プロセスは、大容量にも小容量にも完全にリニアにスケールアップすることができます。これにより、製品の品質が継続的に安定するため、生産におけるプロセス適応の信頼性が高まります。
6. バッチフローとインラインフロー 超音波処理は、バッチまたは連続インラインプロセスとして実施することができる。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バッチリアクターに挿入します。連続流の超音波処理には、超音波フローセルを設置します。液体媒体はソノトロード（超音波振動ロッド）をシングルパスまたは循環で通過し、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、キャビテーションの強力な力、低エネルギー消費、およびプロセスの拡張性により、低周波、高出力の超音波処理は液体処理の効率的な方法となっている。

超音波加工の原理と使い方

超音波処理は商業的な処理技術であり、多くの産業で大規模生産に採用されている。高い信頼性とスケーラビリティ、低いメンテナンスコストと高いエネルギー効率により、超音波プロセッサーは従来の液体処理装置の優れた代替品となっている。超音波はさらにエキサイティングな機会を提供します：基本的な超音波効果であるキャビテーションは、生物学的、化学的、物理的プロセスにおいてユニークな結果を生み出します。例えば、超音波による分散や乳化は、安定したナノサイズの製剤を容易に作り出す。また、植物抽出の分野では、超音波は生物活性化合物を単離するための非加熱技術です。

低強度または高周波の超音波が主に分析、非破壊検査、イメージングに使用されるのに対し、高強度超音波は液体やペーストの処理に使用され、強い超音波が混合、乳化、分散、脱凝集、細胞崩壊、酵素の不活性化に使用される。液体を高強度で超音波処理する場合、音波は液体媒体中を伝播します。その結果、高圧（圧縮）と低圧（希釈）のサイクルが交互に繰り返され、その速度は周波数に依存する。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または空隙を作る。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（約5,000K）と圧力（約2,000気圧）に達する。また、キャビテーション気泡の爆縮により、最大秒速280メートルの液体ジェットが発生する。

液体中の超音波キャビテーションは、高速かつ完全な脱ガスを引き起こし、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し、反応物の混合を促進することによって化学反応を促進し、凝集体を分散させることによって、またはポリマー鎖の化学結合を永久的に切断することによって、重合および解重合反応を促進することができる；乳化速度の向上、拡散速度の向上、ミクロンサイズまたはナノサイズの物質の高濃度エマルションまたは均一分散の生成、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の補助、感染組織からのウイルスの除去、そして最後に、微生物を含む影響を受けやすい粒子の侵食と分解。(Kuldiloke 2002を参照。）

高強度超音波は、低粘度の液体中に激しい攪拌を発生させ、液体中の物質を分散させるために使用することができる（Ensminger, 1988参照）。(Ensminger,1988参照) 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での拡散を大幅に加速させることができる。(参照：Nyborg, 1965）

文学