液体中の固体の超音波溶解
溶液の調製は、実験室のサンプルにも工業生産にも重要な工程です。一般に、実験室のサンプルは分析前に液状にする必要があります。超音波による均質化と溶解は、あらゆる量のサンプルを迅速かつ確実に調製する手段です。工業生産では、均質で十分に溶解した溶液の調製が、安定した製品特性と一貫した品質を保証するための重要な要因となることがよくあります。超音波溶解装置は、コンパクトな実験室用装置から、本格的な商業生産向けの産業用溶解装置まで揃っています。
超音波溶解装置：用途と応用
超音波は、実験室でのサンプル調製に広く知られる信頼性の高い手段です。一般的な用途には、均質化、乳化、分散、抽出、脱気、ソノケミカル処理があります。
分析装置（HPLC、原子分光計など）による測定では、一般にほとんどのサンプルを液状にする必要があります。つまり、サンプルは均質な溶液の状態であるか、混合物が不均質である場合には、コロイド、懸濁液、分散液またはエマルションにする必要があります。強力な超音波処理は、均質な混合物と不均質な混合物の両方を調製する非常に効果的な手段です。
不均質な懸濁液の調製に関心をお持ちの方は、こちらをご覧ください： 超音波乳化 および 超音波分散！
超音波溶解による均質な混合物の調製については、以下をお読みください！
200Wの強力な超音波処理装置UP200St は、実験室や小規模生産向けの、強力で非常に堅牢な装置です。
溶解のための超音波キャビテーション
サンプルが可溶性であれば、溶質（例えば粉末状や錠剤状のスクラロース、塩類など）を溶媒（水、水系溶媒、有機溶媒など）に溶解させることで、単一の相のみからなる均質な混合物が得られます。溶解は手動または機械的な撹拌で行うことができますが、時間がかかり、非効率です。関連する問題として、操作に伴うサンプルの損失や、偶然誤差と不均一な混合による再現性の不足があります。
超音波処理は、サンプルの効果的かつ迅速な溶解を促進するためによく用いられます。超音波支援溶解は、液体への超音波の導入によって生じるキャビテーション効果の機械的な撹拌作用に基づいています。超音波エネルギーの導入は、分析前の溶解や浸出などのサンプル前処理を容易にし、加速します。
超音波を利用して溶液を調製することで、溶質を高濃度で溶解させ、濃厚溶液や飽和溶液（さらに過飽和溶液）を効率的かつ迅速に作製できます。
高出力・低周波の超音波を液体媒体に導入すると、発生する音響キャビテーションによって独特の条件が生み出されます。超音波処理は、通常、分析による検出や測定の前に実施される液体–液体および固体–液体のサンプル前処理（分解、可溶化、抽出など）を向上させてきました。
溶解速度は、溶解過程の速さを定量化したものです。溶解速度には、さまざまな要因が影響します：
- 物質：溶媒と溶質
- 温度 + 圧力
- 飽和度（または不飽和の程度）
- 溶解と混合の効率および作用
- 相間の界面積
- 阻害物質の存在（粒子に付着した物質や相境界を遮断する物質など）
溶媒和の過程と溶解速度を加速するには、十分な機械的作用を与える強力なホモジナイザーが必要です。超音波ホモジナイザーのキャビテーションによる溶解力と混合力はよく知られており、実験室でのサンプル調製に一般的に用いられる信頼性の高い手段となっています。
メロキシカム懸濁液の顕微鏡画像：
左：未処理のメロキシカム懸濁液；右：超音波処理によって得られたメロキシカムナノ懸濁液 （UP100Hを使用し、振幅100%、サイクル1で45分間処理）。
（研究および画像：©Iurian et al., 2015）
実験室サンプルの超音波溶解
サンプル調製のための超音波支援溶解は、実験室で分析測定の前に用いられています。
液状のサンプルを必要とすることが多い分析装置の一覧：
- HPLC – 高速液体クロマトグラフィー
- FTIR – フーリエ変換赤外分光法
- GC – ガスクロマトグラフィー
- 原子分光法
- ATR – 減衰全反射法
- レーザー回折式粒度測定
- 動的光散乱法
超音波サンプル調製装置SonoStepを使用すると、分析前のサンプル処理を完全にインラインで実施できます。この超音波サンプル調製装置は撹拌機とポンプを内蔵しており、サンプルが閉鎖系を安定して連続的に流れます。これにより、交差汚染、サンプルの変質、サンプルの損失のリスクがなく、均一で信頼性の高い超音波処理が保証されます。
一体型超音波サンプル調製ユニットSonoStepの詳細をご覧ください！
工業生産のための超音波溶解
工業生産ラインでは、高出力超音波を組み込み、固体–液体混合物を溶解・均質化して、均一で安定した製品を作製します。
以下に、さまざまな産業分野での例を示します：
- 製薬産業：塩類やポリマーなどの医薬品成分の溶解
- 食品・飲料産業：砂糖、塩、シロップ、調味料などの原料の溶解
- 塗料・コーティング：ポリマーの溶解
- 化学： 沈殿反応に先立つ過飽和溶液の調製
超音波溶解装置UIP6000hdT は、溶液の工業生産で大量処理に対応します
あらゆる規模の溶解用途に対応する超音波処理装置
Hielscher Ultrasonicsは、お客様の溶解・湿潤用途に理想的なソリューションを提供します。実験室で分析用サンプルを調製する場合でも、連続フロースルーモードで大量の溶液や塩水を製造する場合でも、Hielscher Ultrasonicsにはお客様のプロセスに理想的な超音波溶解装置があります！
あらゆる出力定格の超音波処理装置を揃え、バッチ処理とインライン処理の両方に対応しており、お客様の処理目標に最適な超音波処理装置をご提案します！
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：
| バッチ容量 | 流量 | 推奨装置 |
|---|---|---|
| 1–500mL | 10–200mL/min | UP100H |
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1–20L | 0.2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10–100L/min | UIP16000 |
| n.a. | さらに大きい流量 | 複数台構成の UIP16000 |
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Hielscher Ultrasonicsは、実験室規模、パイロット規模、産業規模での混合、分散、乳化、抽出用途向けに、高性能超音波ホモジナイザーを製造しています。
文献・参考資料
- Welna, Maja; Szymczycha-Madeja, Anna; Pohl, Pawel: Quality of the Trace Element Analysis: Sample Preparation Steps. In: InTechOpen.
- Castro, Luque de; Capote, Priego F. (ed.) (2007): Analytical Applications of Ultrasound. Elservier Science, 2007.
- del Bosque, A.; Sánchez-Romate, X.F.; Sánchez, M.; Ureña, A. (2022): Easy-Scalable Flexible Sensors Made of Carbon Nanotube-Doped Polydimethylsiloxane: Analysis of Manufacturing Conditions and Proof of Concept. Sensors 2022, 22, 5147.
- Brad W. Zeiger; Kenneth S. Suslick (2011): Sonofragmentation of Molecular Crystals. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 37, 14530–14533.
Hielscher Ultrasonicsは、 実験室規模 から 産業規模までの高性能超音波ホモジナイザーを製造しています。