超音波：アプリケーションとプロセス
超音波は、均質化、崩壊、分散、ソノケミストリー、脱気または洗浄などの多くのアプリケーションのための有用な技術です。以下では、典型的な超音波アプリケーションとプロセスを見つける。
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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低減します。粒子(分散相)は、液相に懸濁した固体または液滴であり得る。超音波均質化は、ソフトと硬い粒子の削減のために非常に効率的です。ヒールシャーは、任意の液体容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生成します。実験室の超音波装置は、1.5mLから約4Lまでの容積に使用することができる。超音波産業機器は、プロセス開発または生産中に毎時0.1Lから20立方メートルまでの約2000Lまたは流量に0.5から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
液体に固体の分散および脱凝集は、超音波デバイスの重要なアプリケーションです。超音波キャビテーションは、粒子凝集体を個々の単一の分散粒子に分解する高い剪断力を発生させる。液体への粉末の混合は、塗料、シャンプー、飲料、または研磨媒体などの様々な製品の処方における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ます。超音波は、脱凝集し、液体媒体に粒子を分散させるために、これらの引力を克服します。液体中の粉末の分散および脱凝集のために、高強度超音波は高圧ホモジナイザー、高剪断ミキサーまたはローター-ステータミキサーに興味深い代替手段です。
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超音波乳化
化粧品やスキンローション、医薬品軟膏、ワニス、塗料、潤滑剤、燃料などの幅広い中間および消費者製品は、エマルジョンの一部または全体に基づいています。エマルションは、2つ以上の不混和性液体の分散液である。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烈なせん断を供給する。分散ゾーンでは、インプロディングキャビテーション気泡は、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(高せん断)の液体ジェットの形成をもたらす。超音波は、1ミクロン(マイクロエマルジョン)を下回る平均液滴サイズを達成することができます。
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超音波湿式粉砕及び研削
超音波は、粒子の湿式粉砕およびマイクロ研削のための効率的な手段です。特に超微細サイズスラリーの製造に関しては、超音波は多くの利点を有する。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、ジェットミルなど、従来のサイズ削減装置に優れています。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ので、処理されるボリュームを減少させます。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ます。
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超音波細胞崩壊
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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超音波細胞抽出
細胞および細胞内粒子に蓄積された酵素およびタンパク質の抽出は、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。植物または種子に含まれる有機化合物の溶媒抽出は、大幅に改善することができる。超音波は、新しい潜在的に生理活性成分の抽出および分離における潜在的な利点を有する、例えば現在のプロセスで形成された非利用副産物の流れから。超音波は、実験室や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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液体の強力な超音波キャビテーション
UIP1000 – 超音波処理の設定
ソノケミストリー
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、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。
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リークの検出のためのボトルや缶の超音波処理
超音波デバイスを瓶詰めや充填機に設置して、缶やボトルの漏れをチェックすることができます。二酸化炭素の瞬間放出は、炭酸飲料で満たされた容器の超音波漏れ試験の決定的な効果である。
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給湯システムの継続的な消毒
危険なレジオネラ菌と温水システムで戦い、より安全なシャワー環境を確保するために、Gruenbeck社はGENOブレークシステムを開発しました。このシステムは、UV-C光と組み合わせて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、ワイヤーやケーブル、テープやチューブなどの連続的な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、油やグリース、石鹸、ステアレートやほこりなどの潤滑残基を材料表面から除去します。
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超音波処理に関する一般情報
超音波処理は、完全に商業加工技術です。高い信頼性とscaleablilityだけでなく、低いメンテナンスコストと高エネルギー効率は、超音波装置は、従来の液体処理装置のための良い代替手段を作ります。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、化学的および物理的なプロセスでユニークな結果を生成します。
低強度または高周波超音波は主に分析、非破壊検査および画像撮影に使用されるが、高強度超音波は、混合、乳化、分散および脱凝集、細胞崩壊または酵素の非活性化などの液体の処理に使用される。高強度で液体を超音波処理すると、音波が液体媒体を通して伝播します。これにより、周波数に応じて、高圧(圧縮)サイクルと低圧(希薄化)サイクルが交互に発生します。低圧サイクル中、高強度の超音波は液体中に小さな真空泡や空隙を作成します。気泡がエネルギーを吸収できなくなる体積を達成すると、高圧サイクル中に激しく崩壊します。この現象はキャビテーションと呼ばれています。爆縮の間に非常に高い温度(約5,000K)と圧力(約2,000atm)は局所的に達する。キャビテーションバブルの爆発はまた、毎秒280メートルまでの液体ジェットをもたらします。
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可能性があります。自由な化学イオン(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。反応物の混合を促進することによって化学反応を加速する;凝集体を分散させること、またはポリマー鎖中の化学結合を永久に破壊することによって、重合および脱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を生成します。動物、植物、酵母、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、微生物を含む影響を受けやすい粒子を侵食し、分解する。(クルディロケ 2002）
高強度超音波は、液体中の材料を分散させるために使用することができる低粘度液体で激しい攪拌を生成します。(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
エンスミンガー、D.E.(1988):デフェディングおよび乾燥の音響および電気音響的方法、で: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）。
ニューヨーク・ニューボーグ(W.L.):アコースティック・ストリーミング、Vol.2B、アカデミック・プレス、ニューヨーク(1965年)。