超音波霧化分離

超音波霧化分離の前提となる超音波霧化（超音波噴霧, Ultrasonic atomization）は、超音波を液中から液面に向けて照射すると、音圧により液面に噴水状の液柱が発生し、液柱の側面からおもに数ミクロン程度の微細な液滴（ミスト）が発生する現象である[7][9]。発生した液滴は、その小さい粒径から長時間気相中に滞留することになる。その発生機構については、キャビテーションに起因する衝撃波説と液体表面に形成されるキャピラリー液（表面波）説の2説があるが、高周波数の超音波の照射の場合はキャビテーションは無視できるという報告があり、このことからキャビテーション説は採りにくい[9]。

超音波霧化現象自体は、19世紀末より知られており[10][11]、現在では超音波加湿器、超音波霧化機（ネブライザなど[1]）、殺虫スプレーや石油ファンヒーター、食品・肥料・塗料の噴霧乾燥[12]、除菌、消臭、アロマテラピーなど、幅広い分野で使用される技術である[13]。超音波の発生には主に超音波振動子と呼ばれる製品が使われる。超音波振動子はアメリカ、ドイツ、台湾などで量産されており、仕様の標準化も世界的に進んでいる[8]。

1995年、松浦一雄（現：ナノミストテクノロジーズ株式会社[14]）らによりエタノールと水の混合溶液を超音波霧化するとエタノールと水が分離し、結果としてエタノールが濃縮されることが報告された[2][3][15][16]。これにより、蒸留に代わる非加熱の分離濃縮法として超音波霧化分離が注目されはじめた[17]。

超音波霧化分離装置の構成の一例は次の通りである。[8][18]

1. 溶液中に設置した超音波振動子により溶液がミスト化される。
2. ミストは、サイクロン等分級装置により、軽いミストは上部へ、重いミストは下部に分離される。
3. 軽いミストは冷却等により凝縮され液体化、重いミストは重さにより落下し液体化する。

液体を加熱する蒸留装置に比べ、次の利点がある[4][9][19][20]。

• 蒸留法と比較してランニングエネルギーが少なく環境負荷が小さい
• 起動・停止が俊敏である（電気的に超音波の発生・停止を制御できる。瞬間的にミスト生成が行われる）
• ボイラーが不要である[21]
• ユニット化することで拡張が容易
• 装置をパラレル構成にしておくことで、メンテナンスの際に全体を停止させることなく、モジュールごとにメンテナンスが行える
• 常温付近で運転可能であり、食品加工において風味の変化を防ぎやすく（酸化への配慮は必要）、また安全である
• 共沸点の問題により、分離困難な溶液の分離が可能な場合がある

超音波霧化分離のデメリットとして、粘度が500cP以上の高粘度もしくは高張力の溶液では霧化が困難となり分離効率が極端に下がる場合が多い[8]。また穀物の醪（もろみ）のように固体成分が溶液中に含まれる場合には、固体が霧化の妨げとなるため、事前にフィルタープレス等で固液分離しておくことが望まれる[8]。

粘度が水より低い溶液（エタノール水溶液・ガソリン・ナフサ等）では分離効率が良いが、粘度の高い溶液は表面張力の影響で霧化効率が悪くなる[22]。