Hochleistungs-Ultraschall-Anwendungen für Ultraschallhörner

Ultraschallhörner oder -sonotroden kommen häufig für zahlreiche Anwendungen in der Flüssigkeitsverarbeitung zum Einsatz. Zud en typischen Anwendugen zählen das Homogenisieren, Dispergieren, Nassmahlen, Emulgieren, Extrahieren, Zerkleinern, Lösen und Entlüften Entgasen. Lernen Sie die Grundlagen über Ultraschallhörner, Ultraschallsonotroden und deren Anwendungen.

Ultraschall-Horn vs. Ultraschall-Sonotode

Häufig werden die Begriffe Ultraschallhorn und Sonotrode synonym verwendet und werden als Bezeichnung für den Ultraschallstab verwendet, der die Ultraschallwellen in die Flüssigkeit überträgt. Andere gängige Begriffe, welche ebenfalls für die Ultraschallsonotrode verwendet werden, sind akustisches Horn, Ultraschallsonde, akustischer Wellentransmitter oder Ultraschallfinger. Technisch betrachtet besteht jedoch ein Unterschied zwischen einem Ultraschallhorn und einer Ultraschallsonotrode.
Sowohl das Ultraschallhorn also auch die Ultarschallsontrode sind Teile des so genannten Ultraschallwandlers. Das Ultraschallhorn ist das Metallteil des Ultraschallwandlers, welches direkt durch piezoelektrisch erzeugte Schwingungen angeregt wird. Das Ultraschallhorn schwingt mit einer bestimmten Frequenz, z.B. 20kHz, was 20.000 Schwingungen pro Sekunde bedeutet. Titanlegierungen sind aufgrund ihrer hervorragenden akustischen Übertragungseigenschaften, seiner robusten Dauerfestigkeit und Oberflächenhärte das bevorzugte Material für die Herstellung von Ultraschallhörnern.

Die Ultraschallsonotrode wird auch Ultarschallstab oder Ultraschallfinger genannt. Es handelt sich um einen Metallstab, meist ebenfalls aus Titan, der auf das Ultraschallhorn aufgeschraubt wird. Die Ultraschallsonotrode ist ein wesentlicher Bestandteil des Ultraschallprozessors, welche die Ultraschallwellen in das beschallte Medium überträgt. Ultraschallstäbe/Sonotroden sind in verschiedenen Formen (z.B. konisch, spitz zulaufend oder als Kaskatrode) erhältlich. Während Titanlegierungen das am häufigsten verwendete Material für Ultraschallsonotroden sind, gibt es jedoch auch Sonotroden aus Edelstahl, Keramik, Glas und anderen Materialien.

Da das Ultraschallhorn und die Sonotrode während der Beschallung unter ständig wechselnder Kompression bzw. Spannung stehen, ist die Materialauswahl von Horn und Sonde entscheidend. Eine hochwertige Titanlegierung (Grade 5) gilt als das zuverlässigste, haltbarste und effektivste Metall, um den Belastungen standzuhalten, hohe Amplituden über lange Zeiträume hinweg aufrechtzuerhalten und die akustischen und mechanischen Eigenschaften zu übertragen.

Hochleistungs-Ultraschallgeräte arbeiten meist im Frequenzbereich von 20-30kHz. Bei 20 kHz ist die Ultraschallsonotrode typischerweise ein Resonanzstab mit einer halben Wellenlänge (Wellenlänge = Lambda ƛ) oder einem Vielfachen davon, der sich 20.000 Mal pro Sekunde ausdehnt und wieder zusammenzieht. Die Ausdehnungs- und Kontraktionsbewegungen werden als Hochleistungs-Ultraschall in das Prozessmedium, d.h. in die Flüssigkeit oder Slurry, übertragen, um beispielsweise folgende Anwendungen zu erfüllen:

• Ultraschall-Hochscher-Mischen
• Ultraschall-Nassmahlen
• Ultraschalldispersion von Nanopartikeln
• Ultraschall-Nano-Emulgierung
• Ultraschall-Extraktion
• Ultraschall-Desintegration
• Zellaufschluss und Lyse mittels Ultraschall
• Ultraschall-Entgasung und -Entlüftung
• Sonochemie (Sono-Synthese, Sono-Katalyse)

Wie funktioniert Leistungsultraschall? – Das Funktionsprinzip der akustischen Kavitation

Für Hochleistungs-Ultraschallanwendungen wie die Homogenisierung, Partikelzerkleinerung, Desintegration oder Nanodispergierung wird hochintensiver, niederfrequenter Ultraschall durch einen Ultraschallwandler erzeugt und über das Ultraschallhorn und die Sonotrode (Ultraschallfinger) in eine Flüssigkeit eingetragen. Als Hochleistungs-Ultraschall wird Ultraschall im Bereich von 16-30kHz mit hohen Amplituden bezeichnet. Die Ultraschallsonotrode dehnt sich aus und zieht sich in sehr schnellen Zyklen wieder zusammen. So werden z.B. bei 20kHz 20.000 Schwingungen pro Sekunde in das Medium übertragen. Wenn sich die Ultraschallwellen durch die Flüssigkeit bewegen, entstehen durch abwechselnde Hochdruck- (Kompression) / Niederdruckzyklen (Rarefaktion / Expansion) winzige Hohlräume (Vakuumblasen), die über mehrere Druckzyklen wachsen. Während der Kompressionsphase der Flüssigkeit und der Blasen ist der Druck positiv, während die Rarefaktionsphase ein Vakuum (Unterdruck) erzeugt. Während der Kompressions-/Expansions-Zyklen wachsen die Hohlräume in der Flüssigkeit heran, bis sie eine Größe erreichen, bei der sie keine weitere Energie mehr aufnehmen können. An diesem Punkt implodieren diese heftig. Die Implosion dieser Hohlräume führt zu verschiedenen hochenergetischen Effekten, die als Phänomen der akustischen Kavitation / Ultraschall-Kavitation bekannt sind. Die akustische Kavitation zeichnet sich durch vielfältige hochenergetische Effekte aus, die sowohl auf Flüssigkeiten, Fest-Flüssig-Systeme als auch Gas-Flüssig-Systeme wirken. Die energiereiche Zone bzw. Kavitationszone wird als sogenannte Hot-Spot-Zone bezeichnet, welche in der nähere Umgebung der Ultraschallsonotrode am energiereichsten ist und mit zunehmender Entfernung von der Sonotrode abnimmt. Zu den Hauptmerkmalen der Ultraschallkavitation gehören lokal auftretende sehr hohe Temperaturen und Drücke und entsprechende Differenzen, Turbulenzen und Flüssigkeitsströmungen. Bei der Implosion von Kavitationsblasen in Ultraschall-Hot-Spots können Temperaturen von bis zu 5000 Kelvin, Drücke von bis zu 200 Atmosphären und Flüssigkeitsstrahlen mit bis zu 1000km/h gemessen werden. Diese außergewöhnlich energieintensiven Bedingungen erzweugen sonomechanische und sonochemische Effekten, die Prozesse und chemische Reaktionen auf verschiedene Weise intensivieren.
Zu den wichtigsten Effekten, welche Ultraschall in Flüssigkeiten und Slurries erzeugt, gehören die folgenden:

• Hohe Scherung: Die hohen Scherkräfte des Ultraschalls zerschlagen Flüssigkeiten und Flüssigkeit-Feststoff-Systeme und erzeugen intensive Bewegung, Homogenisierung und erhöhten Stoffaustausch.
• Stoßwirkung: Die durch Ultraschallkavitation erzeugten Flüssigkeitsstrahlen und -strömungen beschleunigen Feststoffe in Flüssigkeiten, was in der Folge zu interpartikulären Kollisionen führt. Wenn Partikel mit sehr hohen Geschwindigkeiten kollidieren, erodieren sie, zerbrechen und werden fein vermahlen und dispergiert, oft bis in den Nanobereich. Bei biologischem Material, wie z. B. Pflanzenmaterial, werden durch die Hochgeschwindigkeits-Flüssigkeitsstrahlen und die wechselnden Druckzyklen die Zellwände aufgebrochen und das intrazelluläre Material freigesetzt. Dies führt zu einer hocheffizienten Extraktion bioaktiver Verbindungen und einer homogenen Durchmischung des biologischen Materials.
• Durchmischung: Ultraschall verursacht intensive Turbulenzen, Scherkräfte und Mikrobewegungen in der Flüssigkeit bzw. in Slurries. Dabei intensiviert die Beschallung stets den Stoffaustausch und beschleunigt dadurch Reaktionen und Prozesse.

Ultraschall-Homogenisierer und Hochscher-Mischer werden in fast jeder verarbeitenden Industrie eingesetzt, die mit Flüssigkeiten oder Slurries arbeitet. Die intensiven Kavitationskräfte des Ultraschalls erzeugen intensive Rühr- und Scherkräfte, Partikelgrößenreduktion und Massentransfer. Dadurch werden Flüssigkeiten homogenisiert, dispergiert, emulgiert, extrahiert, gelöst und/oder chemische Reaktionen eingeleitet. Insgesamt ist Ultraschall eine prozessintensivierende Methode, welche die Ausbeute erhöht, die Umwandlungsraten verbessert und die Prozesse effizienter macht.
Ultraschallanwendungen sind in vielen Industriezweigen verbreitet, z.B. der Lebensmittel- & Pharma-Industrie, Feinchemie, Energie & Petrochemie, Recycling, Bioraffinerien, etc. und umfassen Folgendes:

• Ultraschall-Biodiesel-Synthese
• Ultraschall-Homogenisierung von Fruchtsäften
• Ultraschall-Herstellung von Impfstoffen
• Recycling von Ultraschall-Li-ion-Batterien
• Ultraschall-Synthese von Nano-Materialien
• Ultraschall-Formulierung von Arzneimitteln
• Ultraschall-Nano-Emulgierung von CBD
• Ultraschall-Extraktion von Pflanzenstoffen
• Ultraschall-Probenvorbereitung in Laboratorien
• Ultraschall-Entgasung von Flüssigkeiten
• Ultraschall-Entschwefelung von Rohöl
• und viele mehr ...

Ultraschallhörner und Sonotroden für Hochleistungsanwendungen

Hielscher Ultrasonics ist langjähriger erfahrener Hersteller von Hochleistungs-Ultraschallgeräten, welche weltweit in vielen Branchen für High-Performance-Anwendungen eingesetzt werden.
Mit Ultraschallprozessoren in allen Größen von 50 Watt bis 16kW pro Gerät, Sonotroden in verschiedenen Größen und Formen, sowie mit Ultraschallreaktoren unterschiedlicher Volumina und Geometrien hat Hielscher Ultrasonics die richtige Ausrüstung, um den idealen Ultraschallaufbau für Ihre Anwendung zu konfigurieren.
In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallsysteme: