Homogenisieren und Mischen mit Ultraschall

Beim Homogenisieren mittels Ultraschall handelt es sich um einen mechanischen Prozess, bei dem die Größe der in einer Flüssigkeit vorhandenen Partikel verkleinert wird, so dass diese eine einheitlich geringe Größe aufweisen und gleichmäßig verteilt sind. Hielscher Ultrasonics bietet Ultraschallhomogenisatoren für die Anwendung im Labor ebenso wie für die industrielle Produktion.

Die Homogenisierung

Ultraschallprozessoren werden als Homogenisatoren eingesetzt, um die Größe der in einer Flüssigkeit vorhandenen Partikel zu verringern und somit die Flüssigkeit hinsichtlich ihrer Uniformität und Stabilität zu verbessern. Die Partikel (disperse Phase) können sowohl fest als auch flüssig sein. Indem die Partikelgröße bzw. der Partikeldurchmesser verringert wird, erhöht sich die Anzahl der einzelnen Partikel, wodurch wiederum eine Reduktion der durchschnittlichen Entfernung der Partikel untereinander und eine Erhöhung der Partikeloberfläche erreicht werden. Die oben stehende Grafik (Klicken Sie hier für eine größere Ansicht) zeigt die Korrelation zwischen dem individuellen Partikeldurchmesser und der Partikelgesamtoberfläche. Die Oberflächengröße und der durchschnittliche Partikelabstand können die Rheologie (Fließverhalten) einer Flüssigkeit beeinflussen.

Falls im Medium ein Unterschied hinsichtlich der spezifischen Gravität zwischen den Partikeln und der Flüssigkeit vorhanden ist, so kann die Uniformität der Partikelgröße die Stabilität der Dispersion beeinflussen. Falls die Partikel mehrheitlich von gleicher Größe sind, so nimmt die Tendenz des Agglomerierens während des Ansteigens oder des Absackens ab, da gleiche Partikel die gleiche Auftriebs- und Absetzgeschwindigkeit aufweisen.

Hochdruckhomogenisatoren

Der gängigste Mechanismus zum Homogenisieren ist die Hochdruckhomogenisation. Dabei wird die Flüssigkeit unter hohem Druck (ca. 2000 bar) durch ein Homogenisationsventil gepresst. Beim Durchfließen des Ventils durchläuft die Flüssigkeit einen kurzen (ca. 50 Mikrosek.) Hochdruck-Niederdruck-Zyklus. Dieser Mechanismus zeigt vor allem bei kleinen, weichen Partikeln, z. B. bei Fetttröpfchen in Milch, gute Erfolge. Für Dispersionen harter und abrasiver Materialien, wie z. B. Pigmente, Poliermittel, Metalloxide oder faseriger und zäher Materialien (wie Fruchtpürees, Algen oder Schlamm), ist die Hochdruckhomogenisation allerdings nur bedingt geeignet, da die Flüssigkeiten hohe Geschwindigkeiten (bis zu 120m/Sek.) erreichen und die Ventile sehr kleine Öffnungen aufweisen. Wenn das abrasive Material durch die Pumpe und die Ventilöffnungen fließt, verursacht dies Abrieb. Dadurch werden sowohl die Effizienz als auch die Lebensdauer der Pumpen und der Ventile beeinträchtigt.

Die Vorteile von Ultraschall bei der Homogenisierung

Die Ultraschallhomogenisation ist äußerst effizient, um die Größe sowohl weicher als auch harter Partikel zu verringern. Die Homogenisierung mit Ultraschall basiert auf Kavitation. Bei intensiver Beschallung mit Ultraschall werden Schallwellen auf die Flüssigkeit übertragen; dabei entstehen abwechselnd Hochdruck- und Niederdruck-Zyklen (ca. 20.000 Zyklen/Sek). Während eines Niederdruck-Zyklus entstehen hochenergetische kleine Vakuumblasen, so dass Dampfdruck erreicht wird. Wenn die Blasen eine gewisse Größe erreichen, platzen sie während eines Hochdruckzyklus. Während dieser Implosion entstehen lokal sehr hohe Drücke und Flüssigkeitsstrahlen von sehr hoher Geschwindigkeit. Die entstehenden Strömungen und Turbulenzen spalten die Partikelagglomerate und führen zu heftigen Kollisionen zwischen den einzelnen Partikeln.

Einer der größten Vorteile der Ultraschallhomogenisatoren ist die geringe Anzahl der Teile, die nass oder bewegt werden. Dies verringert die Abnutzung durch Reibung und spart Zeit bei der Reinigung der Geräte. Es gibt nur zwei Teile, die mit der Flüssigkeit in Berührung kommen: Die Sonotrode und die Durchflusszelle. Beide weisen eine einfache Form auf und haben keine kleinen oder versteckten Öffnungen.

Ein weiterer Vorteil ist die genaue Kontrolle über die operativen Parameter, die die Kavitation beeinflussen. Die Hielscher Ultraschallprozessoren können bei Schwingungsamplituden von ungefähr 1 bis 200 Mikrometer eingesetzt werden. Der Druck kann sich zwischen 0 und ungefähr 30 bar bewegen. Die Parameter von Amplitude und Druck haben den höchsten Einfluss, wobei die breiten operationalen Einstellungsmöglichkeiten der einzelnen Parameter sowohl eine sehr schonende als auch eine zerstörende Behandlung der Flüssigkeit erlauben.

Hielscher Ultraschallgeräte werden über die Amplitude kontrolliert. Dabei wird die angepasste Amplitude während aller operationalen Kondition beibehalten, wodurch die Beschallung kontrollierbar und wiederholbar ist. Die Beschallung unter identischen operationalen Parametern erzielt beständige und reproduzierbare Ergebnisse. Dies ist ein wichtiger Faktor für die gleichbleibende Qualität des Produktes ebenso wie für ein späteres Scale-up/ Aufstocken der Prozessergebnisse von der Labor- auf die Produktionsebene.

Homogenisieren in jeder Größenordnung

Hielscher Ultrasonics stellt Ultraschallhomogenisatoren für die Beschallung jeglicher Volumen in Batch- oder Inlineprozessen her. Labor-Ultraschallgeräte können für Volumen von 1,5ml bis ca. 2l eingesetzt werden. Industrie-Ultraschallgeräte kommen bei der Prozessentwicklung und bei der Produktion von Volumen zwischen 0,5l bis ungefähr 2000l im Batch oder bei Durchflussraten von 0,1 l bis zu 20m³ pro Stunde zum Einsatz.

Die unten stehende Tabelle gibt allgemeine Geräteempfehlungen, die auf dem Batchvolumen oder der Durchflussrate basieren. Klicken Sie auf die verschiedenen Gerätetypen, um mehr Informationen zu dem jeweiligen Ultraschallprozessor zu erhalten.

Batch Volumen	Durchflussrate	empfohlenes Gerät
0,1 bis 1,5ml	n.a.	VialTweeter
0,1 bis 500ml	10 bis 200ml/min	UP100H
10 bis 2000ml	20 bis 400ml/min	UP200S, UP400S
0,1 bis 20l	0,2 bis 4l/min	UIP1000hd, UIP2000
10 bis 100l	2 bis 10l/min	UIP4000
n.a.	10 bis 100l/min	UIP16000
n.a.	größer	UIP16000 - Cluster