Zelldesintegration mittels Ultraschall

Die Beschallung mit Ultraschall ist eine effektive Methode um Zellstrukturen aufzubrechen. Dieser Effekt kann für die Extraktion von intrazellulärem Material, wie z. B. Stärke aus einer Zellmatrix, verwendet werden.

Ultraschall erzeugt in der beschallten Flüssigkeit abwechselnd Hoch- und Niederdruckphasen. Während der Niederdruckphase entstehen durch die Ultraschallwellen kleine Vakuumblasen in der Flüssigkeit; diese Vakuumblasen implodieren während einer Hochdruckphase. Dieses Phänomen wird Kavitation genannt. In Folge der Implosion der Kavitationsblase entstehen starke hydrodynamische Scherkräfte.

Diese Scherkräfte können feinfaseriges, zellulosehaltiges Material in feine Partikel zerkleinern und die Zellwände aufbrechen. Daraus resultiert ein effektiveres Auslösen intrazellulären Materials, z. B. von Stärke oder Zucker in Flüssigkeiten. Zusätzlich kann die Zellwand in kleine Fasertrümmer aufgeschlossen werden.

Dieser Effekt kann für die Fermentation, den Aufschluss und andere Umwandlungsprozesse organischer Stoffe genutzt werden. Nach dem Zerkleinern und Mahlen kann durch die Beschallung mehr intrazelluläres Material, wie z. B. Stärke oder Bruchstücke der Zellwand, verfügbar gemacht werden, so dass die Enzyme Stärke in Zucker umwandeln können. Ebenso vergrößert sich die Oberfläche, die sich den Enzymen z. B während der Verzuckerung bietet. Dies führt normalerweise zu einem Anstieg der Geschwindigkeit und des Ertrags bei der Hefefermentation und anderen Umwandlungsprozessen, beispielsweise eine Steigerung der Ethanolproduktion aus Biomasse.

Die Ultraschall-Desintegration kann problemlos in jedem Maßstab erprobt werden:

in Laborgröße für Volumina zw. 0,1ml und ca. 5l
z. B. mit dem UP400S mit einer 22mm Sonotrode
im Technikums-Maßstab bei ca. 0,1 bis 20l/min
z. B. mit dem UIP1000hd mit einer 34mm Sonotrode und einer Durchflusszelle
im Produktions-Maßstab, beginnend bei 20l/min
z. B. mit dem UIP4000 oder UIP16000

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