액체, 슬러리 및 화학 반응을 위한 초음파 처리

초음파 처리는 음향 캐비테이션과 매우 강한 물리적 힘을 발생시키는 기계적 처리 방법입니다. 따라서 초음파는 혼합, 균질화, 분쇄, 분산, 유화, 추출, 탈기 및 초음파 화학 반응 등 다양한 용도로 사용됩니다.

아래 표에서 해당 응용 분야를 찾아 링크를 클릭하면 관심 있는 공정으로 바로 이동할 수 있습니다! 초음파 처리가 공정과 그 효율을 어떻게 개선하는지 알아보세요.

초음파 균질화

초음파 균질기는 액체 내 작은 입자의 크기를 줄여 균일성과 분산 안정성을 향상시킵니다. 입자(분산상)는 액상에 현탁된 고체 또는 액적일 수 있습니다. 초음파 균질화는 연질 및 경질 입자의 크기를 줄이는 데 매우 효율적입니다. Hielscher는 모든 액체 부피의 균질화와 배치 또는 인라인 처리를 위한 초음파 처리기를 제조합니다. 실험실용 초음파 장치는 1.5mL부터 약 4L까지의 부피에 사용할 수 있습니다. 산업용 초음파 장치는 공정 개발 및 상업 생산에서 0.5부터 약 2000L까지의 배치 또는 시간당 0.1L부터 20세제곱미터까지의 유량을 처리할 수 있습니다.
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초음파 분산 및 해응집

고체를 액체에 분산시키고 해응집하는 것은 프로브형 초음파 처리기의 중요한 용도입니다. 초음파 / 음향 캐비테이션은 높은 전단력을 발생시켜 입자 응집체를 개별적으로 분산된 단일 입자로 분해합니다. 분말을 액체에 혼합하는 것은 페인트, 바니시, 화장품, 식품 및 음료 또는 연마 매체와 같은 다양한 제품을 배합할 때 흔히 수행하는 단계입니다. 개별 입자는 반데르발스 힘과 액체의 표면 장력 등 다양한 물리적·화학적 인력에 의해 서로 결합되어 있습니다. 초음파 처리는 이러한 인력을 극복하여 입자를 해응집하고 액체 매질에 분산시킵니다. 액체 내 분말의 분산 및 해응집에서 고강도 초음파 처리는 고압 균질기, 고전단 혼합기, 비드 밀 또는 로터–스테이터 혼합기를 대체할 수 있는 흥미로운 방법입니다.
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초음파 유화

화장품과 스킨로션, 의약용 연고, 바니시, 도료, 윤활제 및 연료 등 다양한 중간재와 소비재는 전부 또는 일부가 에멀젼을 기반으로 합니다. 에멀젼은 서로 섞이지 않는 두 개 이상의 액상이 분산된 것입니다. 고강도 초음파는 한 액상(분산상)을 다른 액상(연속상) 내에 작은 액적으로 분산시키기에 충분히 강한 전단을 제공합니다. 분산 영역에서는 내파하는 캐비테이션 기포가 주변 액체에 강한 충격파를 일으키고, 유속이 높은 액체 제트(높은 전단)를 형성합니다. 초음파 처리는 목표 에멀젼 크기에 맞춰 정밀하게 조정할 수 있으므로 마이크로에멀젼과 나노에멀젼을 신뢰성 있게 생산할 수 있습니다.
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초음파 습식 분쇄 및 미분쇄

초음파 처리는 입자의 습식 분쇄와 미분쇄에 효율적인 수단입니다. 특히 초미세 슬러리 제조에서 초음파는 많은 이점을 제공합니다. 콜로이드 밀(예: 볼 밀, 비드 밀), 디스크 밀 또는 제트 밀과 같은 기존 입자 크기 감소 장비보다 우수합니다. 초음파 처리는 고농도 및 고점도 슬러리를 처리할 수 있어 처리해야 할 부피를 줄여줍니다. 물론 초음파 분쇄는 세라믹, 안료, 황산바륨, 탄산칼슘 또는 금속 산화물과 같은 마이크로미터 크기 및 나노미터 크기의 재료를 처리하는 데 적합합니다. 특히 나노재료의 경우, 초음파 처리의 매우 강력한 전단력이 균일하게 작은 나노입자를 생성하므로 뛰어난 성능을 발휘합니다.
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초음파 분쇄 전후의 분무 건조된 TiO2

초음파 세포 파쇄 및 세포 용해

초음파 처리는 섬유질의 셀룰로오스 재료를 미세 입자로 파쇄하고 세포 구조의 벽을 파괴할 수 있습니다. 이로 인해 전분이나 당과 같은 세포 내 물질이 액체로 더 많이 방출됩니다. 이 효과는 유기물의 발효, 소화 및 기타 전환 공정에 활용할 수 있습니다. 분쇄와 미분쇄 후 초음파 처리를 하면 전분을 당으로 전환하는 효소가 전분과 같은 세포 내 물질과 세포벽 잔해를 더 많이 이용할 수 있게 됩니다. 또한 액화 또는 당화 과정에서 효소에 노출되는 표면적도 증가합니다. 이는 일반적으로 효모 발효 및 기타 전환 공정의 속도와 수율을 높이며, 예를 들어 바이오매스로부터의 에탄올 생산을 증대하는 데 활용됩니다.
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식물 유래 성분의 초음파 추출

세포와 세포 내 입자에 저장된 생리활성 화합물의 추출은 고강도 초음파의 널리 사용되는 응용 분야입니다. 초음파 추출은 식물과 균류의 세포 기질에서 이차 대사산물(예: 폴리페놀), 다당류, 단백질, 에센셜 오일 및 기타 활성 성분을 분리하는 데 사용됩니다. 초음파 처리는 유기 화합물의 물 추출과 용매 추출에 적합하며, 식물이나 종자에 함유된 식물 유래 성분의 추출 수율을 크게 높입니다. 초음파 추출은 의약품, 기능성 식품 / 영양 보충제, 향료 및 생물학적 첨가제 생산에 사용됩니다. 초음파는 친환경 추출 기술로서 바이오리파이너리에서 생리활성 성분을 추출하는 데도 사용되며, 예를 들어 산업 공정에서 발생하는 미활용 부산물 흐름으로부터 유용한 화합물을 방출하는 데 활용됩니다. 초음파 처리는 실험실 및 생산 규모에서 식물 유래 성분을 추출하는 데 매우 효과적인 기술입니다.
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초음파의 음향화학적 응용

초음파 화학은 화학 반응과 공정에 초음파를 적용하는 분야입니다. 액체에서 초음파 화학적 효과를 일으키는 메커니즘은 음향 캐비테이션 현상입니다. 화학 반응과 공정에서 나타나는 초음파 화학적 효과에는 반응 속도 또는 생산량 증가, 에너지 사용 효율 향상, 상전이 촉매의 성능 향상, 금속 및 고체의 활성화, 시약 또는 촉매의 반응성 증가 등이 있습니다.
초음파의 초음파 화학적 효과를 알아보세요!

초음파 에스테르 교환 반응을 통한 (폐)유의 바이오디젤 전환

초음파 처리는 식물성 기름과 동물성 지방을 바이오디젤로 전환하는 에스테르 교환 반응의 화학 반응 속도와 수율을 높입니다. 이를 통해 생산 방식을 배치 처리에서 연속 흐름 처리로 전환할 수 있으며, 투자비와 운영비를 줄일 수 있습니다. 초음파 바이오디젤 제조의 주요 장점 중 하나는 사용한 식용유와 기타 품질이 낮은 유원료 등의 폐유를 활용할 수 있다는 점입니다. 초음파 에스테르 교환 반응은 품질이 낮은 원료도 고품질 바이오디젤(지방산 메틸 에스테르 / FAME)로 전환할 수 있습니다. 식물성 기름이나 동물성 지방으로 바이오디젤을 제조하는 과정에는 염기 촉매하에서 지방산을 메탄올 또는 에탄올과 에스테르 교환 반응시켜 해당 메틸 에스테르 또는 에틸 에스테르를 얻는 공정이 포함됩니다. 초음파 처리는 99%를 초과하는 바이오디젤 수율을 달성할 수 있습니다. 초음파는 처리 시간과 분리 시간을 크게 단축합니다.
기름을 바이오디젤로 전환하는 초음파 보조 에스테르 교환 반응에 대해 자세히 알아보려면 여기를 클릭하세요!

액체의 초음파 탈기, 탈기포 및 소포

액체의 탈기는 프로브형 초음파 처리기의 또 다른 중요한 응용 분야입니다. 초음파 진동과 캐비테이션은 액체에 용해된 기체의 합체를 유도합니다. 미세한 기포가 합쳐지면서 더 큰 기포가 형성되고, 이 기포는 액체 표면으로 빠르게 떠올라 제거할 수 있게 됩니다. 따라서 초음파 탈기와 탈기포는 용존 기체의 양을 자연 평형 수준 아래로 줄일 수 있습니다.
액체의 초음파 탈기에 대해 자세히 알아보려면 여기를 클릭하세요!

와이어, 케이블 및 스트립의 초음파 세척

초음파 세척은 와이어와 케이블, 테이프 또는 튜브와 같은 연속 소재를 세척하는 친환경적인 대안입니다. 강력한 초음파 캐비테이션의 작용은 소재 표면에서 오일이나 그리스 같은 윤활 잔류물, 비누, 스테아르산염 또는 먼지를 제거합니다. Hielscher Ultrasonics는 연속 프로파일의 인라인 세척을 위한 다양한 초음파 시스템을 제공합니다.
연속 프로파일의 초음파 세척에 대한 자세한 내용을 보려면 여기를 클릭하세요!

초음파 처리가 우수한 처리 방법인 이유는 무엇일까요?

초음파 처리는 고주파 음파를 사용하여 액체를 교반하는 방법으로, 여러 이유로 효율적인 처리 방법입니다. 약 20kHz의 고강도 저주파 초음파 처리가 액체와 슬러리 처리에 특히 효과적이고 유리한 이유는 다음과 같습니다:

1. 캐비테이션: 초음파 처리의 주요 메커니즘 중 하나는 미세한 기포의 생성과 붕괴이며, 이 현상을 캐비테이션이라고 합니다. 20kHz의 음파는 기포를 효율적으로 생성하고 붕괴시키기에 적합한 주파수를 갖습니다. 이러한 기포의 붕괴는 고에너지 충격파를 발생시키며, 이 충격파는 초음파 처리 중인 액체 내의 입자를 분쇄하고 세포를 파쇄할 수 있습니다.
2. 진동과 진동 운동: 발생하는 음향 캐비테이션 외에도 초음파 프로브의 진동은 액체 내에서 추가적인 교반과 혼합을 일으켜 물질 전달 및/또는 탈기를 촉진합니다.
3. 침투: 20kHz 음파는 파장이 비교적 길어 액체 깊숙이 침투할 수 있습니다. 초음파 캐비테이션은 초음파 프로브 주변에서 나타나는 국소적인 현상입니다. 프로브에서 멀어질수록 캐비테이션 강도가 감소합니다. 그러나 20kHz 초음파 처리는 파장이 더 짧고 침투 깊이가 더 제한될 수 있는 고주파 초음파 처리에 비해 더 많은 양의 액체를 효율적으로 처리할 수 있습니다.
4. 낮은 에너지 소비: 초음파 처리는 고압 균질화나 기계적 교반과 같은 다른 처리 방법에 비해 비교적 적은 에너지 소비로 수행할 수 있습니다. 따라서 액체 처리 시 에너지 효율과 비용 효율이 더 높은 방법입니다.
5. 선형 확장성: 초음파 공정은 처리 부피를 늘리거나 줄일 때 완전히 선형적으로 규모를 조정할 수 있습니다. 이를 통해 제품 품질을 지속적으로 안정되게 유지할 수 있으므로 생산 과정에서 공정을 신뢰성 있게 조정할 수 있습니다.
6. 배치 및 인라인 흐름: 초음파 처리는 배치 공정 또는 연속 인라인 공정으로 수행할 수 있습니다. 배치 초음파 처리에서는 초음파 프로브를 개방형 용기 또는 밀폐형 배치 반응기에 삽입합니다. 연속적으로 흐르는 유체를 초음파 처리할 때는 초음파 플로우 셀을 설치합니다. 액체 매질은 단일 통과 또는 재순환 방식으로 소노트로드(초음파로 진동하는 봉)를 지나며, 매우 균일하고 효율적으로 초음파에 노출됩니다.

전반적으로 캐비테이션의 강력한 힘, 낮은 에너지 소비, 공정 확장성 덕분에 저주파 고출력 초음파 처리는 액체를 처리하는 효율적인 방법입니다.

초음파 처리의 작동 원리와 활용

초음파 처리는 수많은 산업 분야에서 대규모 생산에 도입한 상용 처리 기술입니다. 높은 신뢰성과 확장성, 낮은 유지보수 비용, 높은 에너지 효율 덕분에 초음파 처리기는 기존 액체 처리 장비를 대체할 수 있는 좋은 대안입니다. 초음파는 이 밖에도 흥미로운 가능성을 제공합니다. 초음파의 기본 효과인 캐비테이션은 생물학적, 화학적, 물리적 공정에서 고유한 결과를 만들어 냅니다. 예를 들어 초음파 분산과 유화는 안정적인 나노 크기 제형을 손쉽게 생성합니다. 또한 식물 추출 분야에서 초음파는 생리활성 화합물을 분리하는 비열적 기법입니다.

초음파 혼합은 음향 캐비테이션과 그에 따른 유체역학적 전단력을 기반으로 합니다.

저강도 또는 고주파 초음파는 주로 분석, 비파괴 검사 및 영상화에 사용되는 반면, 고강도 초음파는 액체와 페이스트의 가공에 사용되며, 이때 강력한 초음파는 혼합, 유화, 분산 및 해응집, 세포 파쇄 또는 효소 불활성화에 사용됩니다. 액체를 고강도로 초음파 처리하면 음파가 액체 매질을 통해 전파됩니다. 이로 인해 고압(압축) 주기와 저압(희박) 주기가 번갈아 발생하며, 반복 속도는 주파수에 따라 달라집니다. 저압 주기 동안 고강도 초음파는 액체 내에 작은 진공 기포나 공동을 생성합니다. 기포가 더 이상 에너지를 흡수할 수 없는 부피에 도달하면 고압 주기 동안 격렬하게 붕괴합니다. 이 현상을 캐비테이션이라고 합니다. 내파가 일어나는 동안 국소적으로 매우 높은 온도(약 5,000K)와 압력(약 2,000atm)에 도달합니다. 캐비테이션 기포의 내파는 또한 최대 초속 280미터에 이르는 액체 제트를 발생시킵니다.

액체 내 초음파 캐비테이션은 빠르고 완전한 탈기를 유도하고, 자유 화학 이온(라디칼)을 생성하여 다양한 화학 반응을 개시하며, 반응물의 혼합을 촉진하여 화학 반응을 가속하고, 응집체를 분산시키거나 고분자 사슬의 화학 결합을 영구적으로 끊어 중합 및 해중합 반응을 강화하며, 유화 속도를 높이고, 확산 속도를 개선하며, 고농도 에멀션 또는 마이크로미터 크기나 나노미터 크기 물질의 균일한 분산액을 생성하고, 동물, 식물, 효모 또는 세균 세포에서 효소와 같은 물질의 추출을 돕고, 감염된 조직에서 바이러스를 제거하며, 마지막으로 미생물을 포함하여 이러한 작용에 취약한 입자를 침식하고 파쇄할 수 있습니다. (참조: Kuldiloke 2002)

고강도 초음파는 저점도 액체에서 격렬한 교반을 일으키며, 이를 액체 내 물질 분산에 활용할 수 있습니다. (참조: Ensminger, 1988) 액체/고체 또는 기체/고체 계면에서 캐비테이션 기포의 비대칭 내파는 극심한 난류를 일으킬 수 있으며, 이러한 난류는 확산 경계층을 감소시키고 대류 물질 전달을 증가시키며 일반적인 혼합이 불가능한 시스템에서 확산을 상당히 가속합니다. (참조: Nyborg, 1965)

참고 문헌

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• Suslick, Kenneth S.; Hyeon, Taeghwan; Fang, Mingming; Cichowlas, Andrzej A. (1995): Sonochemical synthesis of nanostructured catalysts. Materials Science and Engineering: A. Proceedings of the Symposium on Engineering of Nanostructured Materials. ScienceDirect 204 (1–2): 186–192.
• Brad W. Zeiger; Kenneth S. Suslick (2011): Sonofragmentation of Molecular Crystals. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 37, 14530–14533.
• Petigny L., Périno-Issartier S., Wajsman J., Chemat F. (2013): Batch and Continuous Ultrasound Assisted Extraction of Boldo Leaves (Peumus boldus Mol.). International Journal of Molecular Science 14, 2013. 5750-5764.
• Ensminger, D. E. (1988): Acoustic and electroacoustic methods of dewatering and drying, in: Drying Tech. 6, 473 (1988).
• Kuldiloke, J. (2002): Effect of Ultrasound, Temperature and Pressure Treatments on Enzyme Activity an Quality Indicators of Fruit and Vegetable Juices; Ph.D. Thesis at Technische Universität Berlin (2002).
• Nyborg, W.L. (1965): Acoustic Streaming, Vol. 2B, Academic Press, New York (1965).