超音波：アプリケーションとプロセス
超音波処理は、均質化、崩壊、音響化学、脱ガスやクリーニングなどの多くの用途で使用されています。以下に、あなたは様々な超音波アプリケーションやプロセスにわたる体系的な概要を見つけます。
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超音波均質化
超音波プロセッサは、均一性および安定性を改善するために、液体中に小粒子を減少させるために、ホモジナイザーとして使用されます。これらの粒子（分散相）固体または液体のいずれかであり得ます。超音波均質化は、ソフトとハードの粒子の削減のための非常に効率的です。ヒールシャーは、バッチまたはインライン処理のための任意の液体体積の均質化のための超音波装置を生成します。研究室の超音波デバイスは、約1.5mlのへのボリュームのために使用することができます。 2L。超音波産業用デバイスは、約0.1Lから2000Lまたは流量は毎時20m³するために0.5からバッチのプロセス開発と生産に使用されています。
超音波分散および解凝集
液体中への固体の分散および解凝集は、超音波装置の重要な用途です。超音波キャビテーションは、単一の分散粒子への粒子の凝集体を壊す高い剪断力を発生させます。液体中への粉末の混合は、例えば、塗料のような様々な製品の処方において一般的なステップであります インク、シャンプー、飲料、または研磨媒体。個々の粒子は、ファンデルワールス力と液体表面張力を含む種々の物理的および化学的性質の吸引力によって一緒に保持されます。吸引力は、脱凝集し、液体培地中に粒子を分散させるために克服しなければなりません。液体中の粉末の分散および解凝集のために、高強度の超音波は、高圧ホモジナイザーと回転子 - 固定子ミキサーに興味深い代替です。
超音波乳化
などの中間体および消費者製品の広い範囲、 化粧品 そしてスキンローション、医薬軟膏、ワニス、塗料、潤滑剤および燃料は、完全にまたはエマルションの一部に基づいています。エマルションは、二つ以上の非混和性液体の分散液です。高度に集中的な超音波は、第二相（連続相）中に小滴の液相（分散相）を分散させるために必要な電力を供給する。分散ゾーンでは、内破キャビテーション気泡は、周囲の液体に集中衝撃波を引き起こし、高い液体速度の液体ジェットの形成をもたらします。適切なエネルギー密度レベルで、超音波は、ウェル1ミクロン（マイクロエマルジョン）下記平均液滴サイズを達成することができます。
超音波湿式粉砕及び研削
超音波は、湿式粉砕粒子の微粉砕のための効率的な手段です。コロイドミル（例えば、ボールミル、ビーズミル）、ディスクミル又はジェットミル：などの一般的なサイズ縮小装置と比較した場合、超サイズスラリーの製造のための、特に、超音波は、多くの利点を有します。超音波は、高濃度かつ高粘度スラリーの処理を可能にする - したがって、処理すべき容積を減少させます。超音波ミリングは、ミクロンサイズを処理するのに適していると ナノサイズ このようなセラミックス、アルミナ三水和物、硫酸バリウム、炭酸カルシウムおよび金属酸化物などの材料、。
超音波細胞崩壊
超音波処理は、微粒子化繊維、セルロース系材料を崩壊し、細胞構造の壁を破ることができます。これは、液体中にデンプンまたは糖のような、細胞内物質のより多くを放出します。それに加えて、細胞壁材料は、小さな破片に分割されています。
この効果は、発酵、消化と有機物の他の変換プロセスに使用することができます。粉砕と粉砕した後、超音波は、細胞内物質のより例えばなりますデンプンならびに糖に澱粉を変換する酵素が利用可能な細胞壁の破片。また、液化または糖化の際の酵素にさらされる表面積を増加させません。これは、典型的には、例えば、酵母発酵および他の変換処理の速度及び収率を高めるんバイオマスからのエタノール生産を後押しします。
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超音波細胞抽出
溶媒によって植物および種子の本体内に含まれる有機化合物の抽出を大幅に向上させることができるように、細胞および細胞下粒子に格納されている酵素およびタンパク質の抽出は、高強度の超音波の効果的なアプリケーションです。超音波は、例えば、新規な潜在的生物活性成分の抽出および単離の潜在的利益を有します現在のプロセスで形成された副生成物ストリームを非使用。
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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。液体に音響化学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す。化学反応及びプロセスに音響化学作用は、金属、固体または反応速度及び/又は出力の増大、より効率的なエネルギー利用、相間移動触媒の性能向上、活性化を含みます 試薬や触媒の反応性の増加。
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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、化学反応速度やバイオディーゼルに植物油や動物性脂肪のエステル交換反応の収率を向上させます。これは、連続フロー処理にバッチ処理から生産を変更することができますし、それが投資や運用コストを削減します。植物油または動物脂肪からのバイオディーゼルの製造は、対応するメチルエステルまたはエチルエステルを得、メタノール又はエタノールと脂肪酸の塩基触媒エステル交換を含みます。超音波処理は、99％を超えるバイオディーゼル収量を達成することができます。超音波は、大幅に処理時間と分離時間を削減します。
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液体の超音波脱気
液体の脱ガスは、超音波機器の興味深いアプリケーションです。この場合、超音波が液体から小懸濁ガス気泡を除去し、自然の平衡レベル以下溶存ガスのレベルを低下させます。
リークの検出のためのボトルや缶の超音波処理
超音波は、漏れの缶や瓶をチェックするために瓶詰めや充填機で使用されています。二酸化炭素の瞬間的な放出は、炭酸飲料を充填した容器の超音波漏れ試験の決定的な効果です。
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給湯システムの継続的な消毒
給湯システムに危険なレジオネラ菌と戦い、より安全なシャワー環境を確保するために、 Gruenbeck会社 GENO-break®システムを開発しました。このシステムは、UV-C光との組み合わせでヒールシャー超音波技術を使用しています。
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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、テープまたはチューブのような連続的な材料の洗浄のための環境に優しい代替物です。超音波パワーによって発生するキャビテーションの効果は、油やグリース、石鹸、ステアリン酸やほこりなどの潤滑残基を削除します。
超音波処理に関する一般情報
超音波は、最近10年以内に、新興技術から発展してきた全ての商業的な加工技術へと発展しています。高い信頼性とscaleablilityだけでなく、低メンテナンスコストと 高エネルギー効率 超音波確立液処理装置のための有望な候補にします。基本的な超音波効果 - - キャビテーション生物学的、化学的および物理的プロセスで新しい結果が可能になります：超音波は、追加の刺激的な機会を提供しています。
低強度または高周波数の超音波は、主として分析、非破壊試験及びイメージングのために使用されているが、高強度の超音波は、液体の処理などのために使用されます 混合、 乳化、 分散 そして 解凝集、 細胞崩壊 の 酵素の失活. When sonicating liquids at high intensities, the sound waves that propagate into the liquid media result in alternating high-pressure (compression) and low-pressure (rarefaction) cycles, with rates depending on the frequency. During the low-pressure cycle, high-intensity ultrasonic waves create small vacuum bubbles or voids in the liquid. When the bubbles attain a volume at which they can no longer absorb energy, they collapse violently during a high-pressure cycle. This phenomenon is termed cavitation. During the implosion very high temperatures (approx. 5,000K) and pressures (approx. 2,000atm) are reached locally. The implosion of the cavitation bubble also results in liquid jets of up to 280m/s velocity.
一般に、液体中のキャビテーションが発生することがあり 迅速かつ完全な脱ガス： 様々な化学反応を開始 フリー化学イオン（ラジカル）を発生させることにより、 化学反応を促進 反応体の混合を促進することによって。一時的で重合し、解重合反応を強化 凝集体を分散させます または恒久的にポリマー鎖に化学結合を破壊することにより、 乳化を増やします 料金;拡散速度を向上させます。高度に濃縮されたエマルジョンを生成または 均一な分散液 ミクロンサイズのか ナノサイズの材料;アシスト そのような動物、植物、酵母、又は細菌細胞からの酵素のような物質の抽出; 感染組織からウイルスを削除;そして最後に、浸食さや微生物などの影響を受けやすい粒子を、打破します。 （クルディロケ 2002）
高強度の超音波を使用することができる低粘度液体で激しい撹拌を生成します 分散。 （Ensminger、1988）液体/固体又は気体/固体界面で、キャビテーション気泡の非対称爆縮は、拡散境界層を減少させる極端な乱流を生じさせる対流物質移動を増加させ、かなり普通の混合が可能ではないシステムでの拡散を促進することができます。 （ナイボルグ、1965）
文献
Ensminger、D. E.（1988）： 音響とで、脱水および乾燥の電気方法：乾燥技術。 6、473（1988）。
Kuldiloke、J.（2002）： 果物と野菜ジュースの品質指標酵素活性の超音波、温度および圧力処理の効果;博士ベルリン工科大学の論文（2002）。
ナイボルグ、W.L. （1965年） アコースティックストリーミング、巻。図2（b）、アカデミック・プレス、ニューヨーク（1965）。