液体中の超音波キャビテーション

超音波キャビテーションは、高強度の超音波による液体処理の駆動力です。強力な超音波が液体に結合すると、微小な蒸気泡が形成され、成長し、激しく崩壊します。この音響キャビテーションは、局所的に強いせん断力、マイクロジェット、衝撃波、圧力変化、微小混合効果を生み出し、均質化、分散、乳化、抽出、脱ガス、細胞破砕、ソノケミカル反応を促進できます。

Hielscherのプローブ型超音波処理装置は、制御された音響キャビテーションを利用して、超音波エネルギーを液体、懸濁液、スラリーに直接伝達します。小容量の実験室サンプルから連続的な産業用フロースルー生産まで、Hielscherのシステムでは、振幅、ソノトロードの形状、圧力、温度、流量、滞留時間を調整し、再現性のあるキャビテーション結果を得ることができます。

• 実験室向け： 少量の液体で超音波処理パラメータを開発し、最適化します。
• パイロットプラント向け： 実際に即した処理条件で、キャビテーションを駆動力とするプロセスを検証します。
• 生産向け： 超音波キャビテーションをバッチ、再循環、または連続インラインプロセスへとスケールアップします。

超音波キャビテーションの動作原理

液体を高強度で超音波処理すると、液体媒体中を伝播する音波により、高圧（圧縮）と低圧（希薄化）のサイクルが交互に生じ、その繰り返し速度は周波数に依存します。低圧サイクル中には、高強度の超音波が液体中に小さな真空気泡または空洞を形成します。気泡が、それ以上エネルギーを吸収できなくなる体積に達すると、高圧サイクル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。内破時には、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内破は、速度が最大280m/sの液体ジェットも生み出します。

音響キャビテーション（高出力超音波によって発生）は、局所的に極端な条件を生み出し、いわゆるソノメカニカル効果およびソノケミカル効果をもたらします。これらの効果により、超音波処理は化学反応を促進し、収率の向上、反応速度の増大、新たな反応経路、総合的な効率の改善につながります。

超音波処理装置と音響キャビテーションの主な用途

超音波プローブとも呼ばれるプローブ型超音波処理装置は、液体中に強い音響キャビテーションを効率よく発生させます。そのため、さまざまな産業の多様な用途で広く使用されています。プローブ型超音波処理装置によって発生する音響キャビテーションの特に重要な用途には、次のものがあります。
 

1. 均質化： 超音波プローブは、振動とせん断力が高いエネルギー密度で作用する場として特徴づけられる、強いキャビテーションを発生させることができます。これらの力は、優れた混合、ブレンド、粒子径の低減をもたらします。超音波による均質化は、均一に混合された懸濁液を生成します。そのため、超音波処理は、幅の狭い分布曲線を持つ均質なコロイド懸濁液の製造に使用されます。
2. ナノ粒子分散： 超音波処理装置は、ナノ粒子の分散、解凝集、湿式粉砕に使用されます。低周波の超音波は、強い作用を持つキャビテーションを発生させ、凝集体を分解して粒子径を低減できます。特に、液体ジェットの強いせん断は液体中の粒子を加速させ、粒子同士が衝突することで（粒子間衝突）、粒子が破砕され、侵食されます。その結果、粒子が均一かつ安定して分布し、沈降を防ぎます。これは、ナノテクノロジー、材料科学、医薬品などのさまざまな分野で極めて重要です。
3. 乳化と混合： プローブ型超音波処理装置は、エマルションの生成と液体の混合に使用されます。超音波エネルギーは、微小な気泡の形成と崩壊であるキャビテーションを引き起こし、局所的に強いせん断力を生み出します。このプロセスは、互いに混ざり合わない液体の乳化を助け、安定した微細分散エマルションを生成します。
4. 抽出： キャビテーションによるせん断力により、超音波処理装置は、細胞構造の破砕と固体・液体間の物質移動の改善において高い効率を発揮します。そのため、超音波抽出は、高品質な植物抽出物を製造するために、生理活性化合物などの細胞内物質を放出させる用途で広く使用されています。
5. 脱ガスと脱気： プローブ型超音波処理装置は、液体から気泡または溶存ガスを除去するために使用されます。超音波キャビテーションを適用すると、気泡の合一が促進され、気泡が成長して液体の上部へ浮上します。超音波キャビテーションにより、脱ガスを迅速かつ効率的に行えます。これは、塗料、作動油、食品・飲料加工など、ガスの存在が製品の品質と安定性に悪影響を与える可能性のあるさまざまな産業で有用です。
6. 超音波触媒作用： 超音波プローブは、音響キャビテーションと触媒を組み合わせて化学反応を促進するプロセスである超音波触媒作用に使用できます。超音波によって発生するキャビテーションは、物質移動を改善し、反応速度を高め、フリーラジカルの生成を促進することで、より効率的かつ選択的な化学変換につながります。
7. サンプル調製： プローブ型超音波処理装置は、実験室でのサンプル調製に一般的に使用されています。細胞、組織、ウイルスなどの生体サンプルの均質化、凝集体の分解、抽出に使用されます。プローブから発生する超音波エネルギーは細胞膜を破砕し、細胞内容物を放出させ、その後の分析を容易にします。
8. 崩壊と細胞破砕： プローブ型超音波処理装置は、細胞内成分の抽出、微生物の不活化、分析用サンプルの調製など、さまざまな目的で細胞や組織を崩壊・破砕するために使用されます。高強度の超音波と、それによって発生するキャビテーションが機械的応力とせん断力を生み出し、細胞構造を崩壊させます。生物学研究や医療診断では、プローブ型超音波処理装置は、細胞を破壊して細胞内成分を放出させるプロセスである細胞溶解に使用されます。超音波エネルギーは細胞壁、細胞膜、細胞小器官を破砕し、タンパク質、DNA、RNA、その他の細胞成分の抽出を可能にします。

 
これらはプローブ型超音波処理装置の主な用途の一部ですが、この技術にはさらに幅広い用途があります。医薬品、食品加工、バイオテクノロジー、環境科学などのさまざまな産業におけるソノケミストリー、粒子径の低減（湿式粉砕）、ボトムアップ粒子合成、化学物質や材料の超音波合成などが含まれます。

水中のグラファイト薄片の超音波による機械的剥離を示す高速連続画像（a–f）で、 3-mmのソノトロードを備えた200Wの超音波処理装置UP200Sを使用しています。 矢印は、キャビテーション気泡が裂け目に侵入して粒子が分裂する箇所を示しています。
© Tyurnina et al. 2020

以下の表は、当社の超音波処理装置のおおよその処理能力を示しています。

液体中の音響キャビテーションの動画

以下の動画は、水を満たしたガラスカラム内で、超音波処理装置UIP1000hdTのCascatrodeに発生する音響キャビテーションを示しています。キャビテーション気泡をより見やすくするため、ガラスカラムは底部から赤色光で照らされています。