液体中での超音波キャビテーション

高強度超音波の超音波は、液体中に音響キャビテーションを発生させます。キャビテーションは、最大1000km / hrの液体ジェット、最大2000気圧の圧力、最大5000ケルビンの温度など、局所的に極端な影響を及ぼします。これらの超音波で生成された力は、均質化、分散、乳化、抽出、細胞破壊、化学反応の強化など、多くの液体処理用途に使用されます。

超音波キャビテーションの動作原理

高強度で液体を超音波処理する際に、液体培地中に伝播する音波は、周波数に応じてレートで、高圧(圧縮)及び低圧(希薄化)のサイクルを交互につながります。低圧サイクルの間に、高強度の超音波は、液体中に小さな真空泡又は空隙を作ります。気泡が、彼らはもはやエネルギーを吸収することはできませんこれでボリュームを達成すると、彼らは、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。爆縮時には非常に高い温度(約5,000K)と圧力(約2,000atm)がローカルに達しています。キャビテーション気泡の内破はまた、最大280メートル/秒の速度の液体ジェットをもたらします。

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超音波プローブは、音響キャビテーションの力を利用して、強烈な混合と均質化を実現します。超音波ホモグナイザーは、効率的な混合、分散、乳化、抽出、脱気およびソノケミストリーに広く使用されています。

のようなプローブ型超音波装置 UP400St 音響キャビテーションの動作原理を使用します。

音響キャビテーションまたは超音波キャビテーション:気泡の成長と爆縮

Acoustic cavitation (generated by power ultrasound) creates locally extreme conditions, so-called sonomechanical and sonochemical effects. Due to these effects, sonication promotes chemical reactions leading to higher yields, faster reaction speed, new pathways, and improved overall efficiency.

 
 
 

このビデオは、ヒールシャー超音波装置UP400S(400W)が水中で音響キャビテーションを生成する様子を示しています。

UP400Sを使用した水中での超音波キャビテーション

ビデオサムネイル

 

音響キャビテーションを使用した超音波装置の主な用途

超音波プローブとしても知られるプローブ型超音波装置は、液体中で強力な音響キャビテーションを効率的に生成する。そのため、さまざまな業界のさまざまな用途で広く使用されています。プローブ型超音波装置によって生成される音響キャビテーションの最も重要な用途のいくつかは、以下のものを含む。
 

ヒールシャー・カストロデでの強力な超音波キャビテーション

ヒールシャー超音波カスカトロードでの強力な超音波キャビテーション

  1. 均一化: 超音波プローブは、振動とせん断力のエネルギー密度の高い場として特徴付けられる強力なキャビテーションを生成することができます。これらの力は、優れた混合、ブレンド、および粒子サイズの縮小を提供します。超音波均質化は均一に混合された懸濁液を生成する。したがって、超音波処理は、狭い分布曲線を有する均質なコロイド懸濁液を製造するために使用される。
  2. ナノ粒子分散液: 超音波装置は、ナノ粒子の分散、解凝集および湿式粉砕に使用される。低周波の超音波は、衝撃的なキャビテーションを発生させ、凝集体を分解して粒子サイズを小さくします。特に、液体ジェットの高いせん断は、液体中の粒子を加速し、互いに衝突し(粒子間衝突)、その結果、粒子が破壊されて侵食されます。これにより、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、さまざまな分野で重要です。
  3. 乳化と混合: プローブ型超音波装置は、エマルジョンを作成し、液体を混合するために使用されます。超音波エネルギーは、キャビテーション、微細な気泡の形成と崩壊を引き起こし、強い局所的なせん断力を発生させます。このプロセスは、非混和性液体の乳化を助け、安定した微細に分散したエマルジョンを生成します。
  4. 抽出: キャビテーションせん断力のために、超音波装置は細胞構造を破壊し、固体と液体の間の物質移動を改善するのに非常に効率的です。したがって、超音波抽出は、高品質の植物抽出物を製造するための生理活性化合物などの細胞内物質を放出するために広く使用されています。
  5. 脱気と脱気: プローブ型超音波装置は、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の適用は、気泡の合体を促進し、気泡が成長し、液体の上部に浮かぶようにします。超音波キャビテーションは、脱気を迅速かつ効率的な手順にします。これは、塗料、油圧作動油、食品および飲料加工など、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業界で価値があります。
  6. 音響触媒作用: 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ソノ触媒に使用できます。超音波によって生成された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し、より効率的で選択的な化学変換につながります。
  7. サンプル調製: プローブ型超音波装置は、サンプル調製のために実験室で一般的に使用されています。これらは、細胞、組織、ウイルスなどの生物学的サンプルを均質化、分解、抽出するために使用されます。プローブによって生成された超音波エネルギーは細胞膜を破壊し、細胞内容物を放出し、さらなる分析を容易にします。
  8. 崩壊と細胞破壊: プローブ型超音波装置は、細胞内成分の抽出、微生物の不活性化、または分析のためのサンプル調製など、さまざまな目的で細胞や組織を崩壊させ破壊するために利用されます。高強度の超音波とそれによって生成されたキャビテーションは、機械的応力とせん断力を引き起こし、細胞構造の崩壊をもたらします。生物学的研究および医療診断において、プローブ型超音波装置は、細胞溶解、それらの細胞内成分を放出するために開いた細胞を破壊するプロセスに使用される。超音波エネルギーは細胞壁、膜、および細胞小器官を破壊し、タンパク質、DNA、RNA、および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装置の主要な用途の一部ですが、この技術は、製薬、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、粒子サイズの縮小(湿式粉砕)、ボトムアップ粒子合成、および化学物質および材料のソノ合成を含む、さらに広い範囲の他の用途を有する。

 

水中の超音波グラフェン剥離

水中のグラファイトフレークのソノメカニカル剥離を示すフレームの高速シーケンス(aからfまで) UP200S、3-mmソノトロードと200W超音波装置を使用して。 矢印は、キャビテーション気泡が分割を貫通する粒子の分割位置を示しています。
© Tyurnina et al. 2020

ここで示されているように音響キャビテーション ヒールシャー超音波装置 UIP1500hdTは、化学反応を開始および促進するために使用されます。超音波キャビテーション ヒールシャーUIP1500hdT(1500W)超音波装置 ソノケミカル反応用。

超音波キャビテーション のカスケードプローブ 超音波装置 UIP1000hdT (1000ワット、20kHz) ガラス反応器で。

液中での音響キャビテーションのビデオ

次のビデオは、超音波装置のスカトロードでの音響キャビテーションを示しています UIP1000hdT 水で満たされたガラスカラムで。ガラス柱は、キャビテーション気泡の視覚化を改善するために、下部から赤色光で照らされます。

このビデオは、ヒールシャー UIP1000によって生成された水中の超音波/音響キャビテーションを示しています。超音波キャビテーションは、均質化、分散、乳化、抽出、脱気および音響化学反応などの多くの液体用途に使用されます。

UIP1000を用いた液体中の超音波キャビテーション

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下の表は私達のultrasonicatorsのおおよその処理能力の目安を与えます:

バッチ容量流量推奨デバイス
500mLの1〜200mL /分で10UP100Hシリーズ
2000mlの10〜20 400mLの/分UP200HT, UP400セント
00.1 20Lへ04L /分の0.2UIP2000hdT
100Lへ1010L /分で2UIP4000hdt
N.A。10 100L /分UIP16000
N.A。大きなのクラスタ UIP16000
超音波高剪断ホモジナイザーは、実験室、ベンチトップ、パイロット、産業加工で使用されます。

ヒールシャー超音波は、ラボ、パイロット、工業規模でアプリケーション、分散、乳化および抽出を混合するための高性能超音波ホモジナイザーを製造しています。



Literature / References


高性能超音波!ヒールシャーの製品範囲は、完全工業用超音波システムにベンチトップユニット上のコンパクトラボ超音波装置から完全なスペクトルをカバーしています。

ヒールシャー超音波は、から高性能超音波ホモジナイザーを製造しています ラボ産業サイズ。


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