超音波処理

超音波処理とは、植物、微細藻類、海藻から複数の化合物を抽出するなど、さまざまな目的でサンプル中の粒子を攪拌するために音波エネルギーを適用する行為である。 ^{[ 1 ]}通常、超音波周波数（>  20  kHz）が使用されるため、このプロセスは超音波処理または超音波処理とも呼ばれる。^{[ 2 ]}

実験室では、通常、超音波浴または超音波プローブ（通称ソニケーター）を用いて処理されます。製紙機械では、超音波箔を用いることでセルロース繊維をより均一に分散させ、紙の強度を高めることができます。

超音波処理は、化学的効果と物理的効果の両方において数多くの効果をもたらします。音波が化学系に及ぼす影響を理解することを目的とする科学分野は、ソノケミストリーと呼ばれています。超音波の化学的効果は、分子種との直接的な相互作用から生じるものではありません。研究によると、分子レベルでの音響場と化学種との直接的な結合では、ソノケミストリー^{[ 3 ]}やソノルミネセンス^{[ 4 ]}を説明できないことが示されています。代わりに、ソノケミストリーでは、音波が媒体中を伝播し、圧力変動やキャビテーションを引き起こし、それが成長・崩壊することで、音波が機械エネルギーに変換されます^{[ 1 ] 。}

超音波処理は、ナノエマルジョン[ ^{5 ]}、ナノ結晶、リポソーム、ワックスエマルジョンなどのナノ粒子の製造、^廃水浄化、脱気、海藻多糖類^{[ 1 ]}および植物油の抽出、アントシアニンおよび抗酸化物質の抽出^{[ 6 ]} 、バイオ燃料の製造、原油の脱硫、細胞破壊、ポリマーおよびエポキシ加工、接着剤の希釈、その他多くのプロセスに使用できます。医薬品、化粧品、水、食品、インク、塗料、コーティング、木材処理、金属加工、ナノコンポジット、農薬、燃料、木材製品、その他多くの産業に適用されています。

超音波処理は、分子間相互作用を断ち切ることで溶解速度を速めるために利用できます。特に、 NMRチューブのように試料を撹拌できない場合に有効です。また、特定の化学反応を進行させるためのエネルギー源としても利用できます。

超音波処理は、液体を真空状態にして超音波を照射することで、液体中の溶存ガスを除去する（脱気する）ために用いられる。これは、凍結・排気・融解法やスパージング法に代わる方法である。

生物学的応用においては、超音波処理だけで生体物質を破壊または不活性化できる場合がある。例えば、細胞膜を破壊して細胞内容物を放出するために超音波処理がよく用いられる。このプロセスはソノポレーションと呼ばれる。大型多層小胞（LMV）の分散液を超音波処理することで、小型単層小胞（SUV）を作製できる。また、超音波処理はDNA分子の断片化にも用いられ、短時間の超音波処理によってDNAはより小さな断片に切断される。

超音波処理は、ナノテクノロジーにおいてナノ粒子を液体中に均一に分散させるために一般的に用いられる。さらに、ミクロンサイズのコロイド粒子の凝集体を分解するためにも使用される。

超音波処理は結晶化プロセスを開始したり、多形結晶化を制御したりするためにも使用できます。^{[ 7 ]}混合を助け、小さな結晶を分離するために、抗溶媒沈殿（結晶化）に介入するために使用されます。

超音波洗浄では、表面に付着した粒子を緩めるために超音波処理が用いられます。超音波洗浄槽は、実験室での科学研究用途に加え、眼鏡や宝飾品などの洗浄にも利用されています。

超音波処理は食品産業でも利用されています。主な用途は、高価な乳化剤を節約するための分散処理（マヨネーズなど）や、濾過工程の高速化（植物油など）です。また、酒類やその他のアルコール飲料の人工熟成のための超音波処理実験も行われています。

土壌サンプルは、土壌団塊を分解するために超音波処理されることが多い。これにより、土壌団塊のさまざまな構成要素（特に土壌有機物）を、過酷な化学処理にさらすことなく研究することができる。^{[ 8 ]}

超音波処理は岩石から微化石を抽出するためにも使用される。 ^{[ 9 ]}

抽出には超音波浴または超音波プローブシステムが使用されます。たとえば、この技術は、大豆からイソフラボンを、小麦ふすまやココナッツ殻粉末からフェノール化合物を除去するために提案されました。^{[ 10 ]}結果は、使用する原料と溶媒、およびその他の抽出技術によって異なります。音響または超音波キャビテーションは、超音波支援抽出の動作の基本です。^{[ 11 ]}

ナノ結晶化、ナノ乳化^{[ 5 ]}、脱凝集、抽出、細胞破壊など、多くの処理用途では、相当な強度の超音波と高い超音波振動振幅が要求されます。一般的に、プロセスはまず実験室規模でテストされ、実現可能性が証明され、必要な超音波照射パラメータの一部が確立されます。この段階が完了すると、プロセスはパイロット（ベンチ）スケールに移され、フロースルーによる生産前最適化が行われ、その後、工業規模に移されて連続生産が行われます。これらのスケールアップのステップでは、すべての局所的な照射条件（超音波振幅、キャビテーション強度、活性キャビテーションゾーンでの滞在時間など）が同じであることを確認することが不可欠です。この条件が満たされると、最終製品の品質は最適化されたレベルに維持され、生産性は予測可能な「スケールアップ係数」によって向上します。生産性の向上は、実験室規模、ベンチ規模、および工業規模の超音波処理システムに、より大きな超音波ホーンが組み込まれ、より大きな高強度キャビテーション領域を生成できるため、単位時間あたりに処理できる材料が増えるという事実によるものです。これは「直接スケーラビリティ」と呼ばれます。超音波処理機の出力容量を増やすだけでは直接スケーラビリティにはならないことに注意することが重要です。なぜなら、超音波振幅とキャビテーション強度の低下を伴う場合があり（そして多くの場合伴います）、直接スケールアップ中は、より大きな超音波ホーンの動作を可能にするために装置の定格出力を上げながら、すべての処理条件を維持する必要があります。^{[ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]} この装置の最適な動作条件を見つけることは、プロセスエンジニアにとって課題であり、超音波処理機の副作用に関する深い知識が必要です。^{[ 15 ]}

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