Ultraschallprozesse und -anwendungen im Überblick

Ultraschall kommt bei vielen Anwendungen zum Einsatz, so etwa zum Homogenisieren oder Desintegrieren, in der Sonochemie, zum Entgasen oder zur Reinigung. Unten finden Sie einen systematischen Überblick über die verschiedenen Ultraschallprozesse und -anwendungen.

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Homogenisieren
Desintegrieren
- Zellextraktion
Sonochemie
- Umesterung (Biodiesel)
Entgasen
- Leckageprüfung (Flaschen und Dosen)
Reinigen (Draht/Kabel/Band)

Homogenisieren mittels Ultraschall

Ultraschallprozessoren werden als Homogenisatoren verwendet, um kleine Partikel in einer Flüssigkeit zu verkleinern und somit die Uniformität und Stabilität der Lösung zu verbessern. Bei diesen Partikeln (disperse Phase) kann es sich entweder um Feststoffe oder um Flüssigkeiten handeln. Homogenisieren mittels Ultraschall ist äußerst effizient bei der Reduktion weicher und harter Partikel. Hielscher stellt Ultraschallgeräte für das Homogenisieren jeglicher Flüssigkeitsvolumina im Batch oder im Inline-Verfahren her. Die Labor-Ultraschallgeräte können für das Beschallen von Volumina zwischen 1,5ml und ca. 2l eingesetzt werden. Die Industrie-Ultraschallgeräte sind sowohl für die Prozessentwicklung als auch für die Produktion geeignet. Sie verfügen über Kapazitäten, 0,5l bis ca. 2000l im Batch oder Volumina von 0,1l bis 20m³ in der Stunde im Durchfluss zu beschallen.

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Dispergieren und Deagglomerieren mit Ultraschall

Das Dispergieren und Deagglomerieren von Feststoffen in Flüssigkeiten ist eine wichtige Anwendung für Ultraschallgeräte. Ultraschallkavitation erzeugt hohe Scherkräfte, die die Partikelagglomerate in einzeln dispergierte Partikel brechen. Das Mischen von Pulvern in Flüssigkeiten ist ein allgemein gebräuchlicher Schritt bei der Herstellung verschiedener Produkte, so wie beispielsweise von Farben, Tinte, Shampoo, Getränken oder Polituren. Die einzelnen Partikel werden durch verschiedene physikalische und chemische Anziehungskräfte - einschließlich der Van-der-Waals-Kräfte und Oberflächenspannung - zusammengehalten. Diese Anziehungskräfte müssen überwunden werden, um die Partikel im flüssigen Medium zu deagglomerieren und zu dispergieren. Für das Dispergieren und Deagglomerieren von Pulvern in Flüssigkeiten stellt das Beschallen mit Hochleistungsultraschall eine äußerst interessante Alternative zu den Hochdruckhomogenisatoren und den Rotor-Stator-Mischern dar.

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Emulgieren mit Ultraschall

Ultraschall ist eine effektive Methode, um zu emulgieren. Eine große Zahl an Zwischenprodukten und Endprodukten - z. B. Kosmetika, Hautpflegelotionen, pharmazeutische Salben, Lacke, Farbe, Gleitmittel und Treibstoffe - bestehen vollständig oder teilweise aus Emulsionen. Emulsionen sind Dispersionen aus zwei oder mehreren nicht-mischbaren Flüssigkeiten. Hochintensiver Ultraschall stellt die benötigte Energie bereit, um eine flüssige Phase (dispergierte Phase) in kleinen Tropfen in eine zweite Phase (kontinuierliche Phase) zu emulgieren. Im Dispersionsbereich verursachen implodierende Kavitationsblasen intensive Schockwellen in der Umgebungsflüssigkeit und erzeugen Flüssigkeitsstrahlen mit sehr hoher Geschwindigkeit. Bei einer entsprechenden Energiedichte können mittels Ultraschall Tropfengrößen von weniger als 1 µm (Mikroemulsion) erreicht werden.

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Nassmahlen und Zerreiben mittels Ultraschall

Das Beschallen mit Ultraschall ist eine effektive Methode für das Nassmahlen und Mikromahlen von Partikeln. Besonders bei der der Herstellung von superfeinen Slurries zeigt Ultraschall viele Vorteile im Vergleich zu anderen gängigen Ausrüstungen, die zur Größenreduktion eingesetzt werden, so z. B.: Kolloidmühlen (z. B. Kugelmühlen, Perlmühlen), Scheibenmühlen, Ringmühlen oder Strahlmühlen. Mit Ultraschall ist es möglich Slurries in hoher Konzentration und von hoher Viskosität zu beschallen – demzufolge verringert sich das zu beschallende Volumen. Das Mahlen mit Ultraschall eignet sich sehr gut für die Herstellung mikroskaliger und nanoskaliger Materialien, z. B. Keramik, Aluminiumtrihydrat, Bariumsulfat, Calciumcarbonat und Metalloxide.

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Zelldesintegration mittels Ultraschall

Durch Beschallung kann faseriges, zellulosisches Material in feine Partikel desintegriert werden und die Wände der Zellstruktur aufgebrochen werden. Dadurch wird mehr intrazelluläres Material, z. B. Stärke oder Zucker, in der Flüssigkeit freigesetzt. Zusätzlich wird das Zellwandmaterial in kleine Bruchstücke aufgebrochen.

Dieser Effekt kann bei der Fermentation, bei Faulprozessen und anderen Umwandlungsprozessen organischer Stoffe genutzt werden. Nach dem Mahlen macht Ultraschall mehr intraszelluläres Material, z. B. Stärke oder Bruchstücke der Zellwand, verfügbar, um die Stärke enzymatisch in Zucker umzuwandeln. Auch die Oberfläche, die während der Verflüssigung oder der Verzuckerung den Enzymen ausgesetzt ist, wird vergrößert. Dadurch steigen die Geschwindigkeit und der Ertrag des Fermentationsprozesses und der anderen Umwandlungsprozesse, so wird z. B. auch die Ehanolproduktion aus Biomasse nach oben getrieben.

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Zellextraktion mittels Ultraschall

Die Extraktion von Enzymen und Proteinen, die sich in Zellen und subzellulären Partikeln befinden, ist eine effektive Anwendung für hochintensiven Ultraschall. So kann z. B. die Extraktion organischer Pflanzen- und Saatbestandteile durch Lösungsmittel mit Ultraschall deutlich verbessert werden. Ultraschall verfügt dabei über einen Vorteil bei der Extraktion und der Isolation neuartiger bioaktiver Komponenten, z. B. aus nicht-genutzten Nebenproduktströmen, die in laufenden Prozessen anfallen.

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Sonochemische Anwendungen von Ultraschall

Bei der Sonochemie handelt es sich um die Anwendung von Ultraschall auf chemische Reaktionen und Prozesse. Der Mechanismus, durch den die sonochemische Effekte in Flüssigkeiten erzeugt werden, ist das Phänomen der akustischen Kavitation. Die sonochemischen Effekte auf chemische Reaktionen und Prozesse umfassen eine Steigerung der Reaktionsgeschwindigkeit und/oder der Output-Leistung, eine effizientere Energienutzung, die Leistungssteigerung der Phasentransferkatalysatoren, die Aktivierung von Metallen und Feststoffen oder eine Verbesserung der Reaktivität der Reagenten oder Katalysatoren.

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Ultraschall bei der Umesterung von Öl zu Biodiesel

Ultraschall steigert die chemische Reaktionsgeschwindigkeit und den Ertrag bei der Umesterung pflanzlicher Öle oder tierischer Fette in Biodiesel. Dadurch wird eine Verschiebung der Produktion vom Batchverfahren zum kontinuierlichen Durchflussverfahren hin möglich und spart Investitions- und Betriebskosten ein. Zur Biodieselherstellung aus pflanzlichen Ölen oder tierischen Fetten gehört die basenkatalysierte Umesterung von Fettsäuren mit Methanol oder Ethanol, um schließlich die entsprechenden Methylester oder Ethylester zu erhalten. Mit Ultraschall kann ein Biodieselertrag von 99% erreicht werden. Ultraschall reduziert die Prozessdauer und die Trennungsdauer erheblich.

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Entgasen von Flüssigkeiten mittels Ultraschall

Das Entgasen von Flüssigkeiten ist eine interessante Anwendung für Ultraschallgeräte. Dabei entfernt Ultraschall kleine suspendierte Gasblasen aus der Flüssigkeit und reduziert den Gehalt des gelösten Gases auf ein Maß, das sogar unter dem natürlichen Gleichgewicht des Gasgehaltes einer Flüssigkeit liegt.

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Beschallen von Flaschen und Dosen zur Leckageprüfung

Mit Ultraschall können Dosen und Flaschen in Befüllungsanlagen auf Leckagen überprüft werden. Der ausschlaggebende Effekt der Ultraschallleckageprüfung ist die unverzügliche Abgabe von Kohlenstoffdioxid. Entweicht den mit Ultraschall angeregten Behältnissen, die mit kohlensäurehaltigen Getränken befüllt werden, Kohlenstoffdioxid, so weist dies auf undichte Flaschen bzw. Dosen hin.

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Draht-, Kabel- und Bandreinigung mit Ultraschall

Das Reinigen mit Ultraschall stellt eine umweltfreundliche Alternative für die Reinigung von Endlosmaterial, wie beispielsweise Drähten, Kabeln, Bändern oder Röhren dar. Der Kavitationseffekt, der durch die Ultraschallenergie entsteht, entfernt die Rückstände von Schmiermittel wie z. B. Öl, Fett, Stearate oder Staub.

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Generelle Informationen über das Beschallen mit Ultraschall

Die verschiedenen Ultraschallanwendungen haben sich in den letzten zehn Jahren aus einer Entwicklungstechnologie entwickelt. Bis heute wurde Ultraschall zu einer vollständig industriellen Prozesstechnologie weiterentwickelt. Hohe Zuverlässigkeit und Skalierbarkeit ebenso wie geringe Wartungskosten und eine hohe Energieeffizienz machen Ultraschall zu einem vielversprechenden Konkurrenten etablierter Geräteausrüstungen für das Behandeln von Flüssigkeiten. Ultraschall bietet nämlich hochinteressante Möglichkeiten: Kavitation - der Basiseffekt des Ultraschalls - ermöglicht es, neue Ergebnisse bei biologischen, physikalischen und chemischen Prozessen zu erzielen.

Während Ultraschall mit niedriger oder hoher Frequenz hauptsächlich für Analysen, nicht-zerstörende Tests und akustische Abbildungen eingesetzt wird, so wird hochintensiver Ultraschall für das Behandeln von Flüssigkeiten, wie z. B. das Mischen, Emulgieren, Dispergieren, Deagglomerieren und das Desintegrieren von Zellen durch das Deaktivieren von Enzymen, genutzt. Werden Flüssigkeiten mit hoher Intensität beschallt, erzeugen die Schallwellen im flüssigen Medium alternierende Hochdruckzyklen (Kompression) und Niederdruckzyklen (Rarefaktion), deren Schwingungsrate von der Frequenz abhängt. Während eines Niederdruckzyklus bilden die hochenergetischen Ultraschallwellen kleine Vakuumblasen oder Hohlräume in der Flüssigkeit. Erreichen diese Blasen ein Volumen, bei dem sie keine weitere Energie absorbieren können, platzen sie während eines Hochdruckzyklus. Dieses Phänomen wird als Kavitation bezeichnet. Während der Implosion werden lokal sehr hohe Temperaturen (ca. 5000K) und Drücke (ca. 2000atm) erreicht. Zudem entstehen durch die Implosion der Kavitationsblasen Flüssigkeitsstrahlen mit Geschwindigkeiten von bis zu 280m/s.

Generell verursacht Kavitation in Flüssigkeiten eine schnelle und vollständige Entgasung: es werden verschiedene chemische Reaktionen ausgelöst, indem freie chemische Ione (Radikale) entstehen; chemische Reaktionen werden beschleunigt, da das Mischen der Reaktanten erleichtert wird; die Polymerisations- und Depolymerisationsreaktionen werden durch das zeitweise Dispergieren der Aggregate oder durch das permanente Brechen chemischer Bindungen in Polymerketten verbessert; der Emulsionsgrad wird gesteigert; der Verteilungsgrad wird verbessert; es werden hoch konzentrierte Emulsionen oder uniforme Dispersionen mikro-skaliger oder nano-skaliger Materialien hergestellt; die Extraktion von Substanzen wie z. B. Enzymen aus Tieren, Pflanzen, Hefe oder Bakterienzellen wird unterstützt;

Viren können aus infiziertem Gewebe entfernt werden; und schließlich können anfällige Partikel, einschließlich Mikroorganismen, abgetragen und runtergebrochen werden. (Kuldiloke 2002)

Hochintensiver Ultraschall verursacht in Flüssigkeiten mit niedriger Viskosität heftige Bewegung, welche zum Dispergieren genutzt werden kann. (Ensminger, 1988) Bei Flüssigkeit/Feststoff- oder bei Gas/Feststoff-Phasengrenzflächen kann die asymmetrische Implosion der Kavitationsblasen extreme Turbulenzen verursachen, die die Verteilungsgrenzschicht reduziert, den Konvektionsmassetransfer steigert und die Verteilung in Systemen, in denen ein Mischen normalerweise nicht möglich ist, beschleunigt. (Nyborg, 1965)