Anwendung von Leistungsultraschall mit Ultraschallhörnern

Ultraschallhörner oder Sonotroden werden häufig für vielfältige Anwendungen in der Flüssigkeitsverarbeitung eingesetzt, darunter Homogenisieren, Dispergieren, Nassmahlen, Emulgieren, Extrahieren, Desintegrieren, Lösen und Entlüften. Erfahren Sie die Grundlagen über Ultraschallhörner, Sonotroden und ihre Anwendungen.

Ultraschallhorn und Sonotrode im Vergleich

Die Begriffe Ultraschallhorn und Sonotrode werden häufig synonym verwendet und bezeichnen den Ultraschallstab, der die Ultraschallwellen in die Flüssigkeit überträgt. Weitere Bezeichnungen für die Sonotrode sind akustisches Horn, akustischer Wellenleiter oder Ultraschallfinger. Technisch besteht jedoch ein Unterschied zwischen einem Ultraschallhorn und einer Sonotrode.
Sowohl das Horn als auch die Sonotrode sind Teile eines Ultraschallgeräts mit Sonotrode. Das Ultraschallhorn ist der metallische Teil des Ultraschallwandlers, der durch piezoelektrisch erzeugte Schwingungen angeregt wird. Das Ultraschallhorn schwingt mit einer bestimmten Frequenz, beispielsweise 20 kHz, was 20.000 Schwingungen pro Sekunde entspricht. Aufgrund seiner hervorragenden akustischen Übertragungseigenschaften, seiner hohen Dauerfestigkeit und seiner Oberflächenhärte ist Titan das bevorzugte Material für die Herstellung von Ultraschallhörnern.

Die Sonotrode wird auch Ultraschallfinger genannt. Sie ist ein Metallstab, meist aus Titan, der mit dem Ultraschallhorn verschraubt wird. Die Sonotrode ist ein wesentlicher Bestandteil des Ultraschallprozessors und überträgt die Ultraschallwellen in das beschallte Medium. Sonotroden sind beispielsweise in folgenden Formen erhältlich: konisch, mit Spitze, verjüngt oder als Cascatrode. Obwohl Titan das am häufigsten verwendete Material für Sonotroden ist, sind auch Sonotroden aus Edelstahl, Keramik, Glas und anderen Materialien erhältlich.

Da Ultraschallhorn und Sonotrode während der Beschallung ständig Druck- oder Zugbelastungen ausgesetzt sind, ist die Materialwahl für beide Bauteile entscheidend. Eine hochwertige Titanlegierung (Grade 5) gilt als das zuverlässigste, langlebigste und wirksamste Metall, um Belastungen standzuhalten, hohe Amplituden über lange Zeiträume aufrechtzuerhalten und die akustischen und mechanischen Eigenschaften zu übertragen.

Das Auflösen ist eine häufige Anwendung der Ultraschallbehandlung. Das Video zeigt das schnelle Auflösen von Zuckerkristallen in Wasser mit dem Hielscher UP200St.

Hochleistungs-Ultraschallgeräte arbeiten meist im Frequenzbereich von 20–30 kHz. Bei 20 kHz ist die Sonotrode typischerweise ein Resonanzstab mit einer Länge von einer halben Wellenlänge, der sich kontinuierlich 20.000 Mal pro Sekunde ausdehnt und zusammenzieht. Diese Ausdehnungs- und Kontraktionsbewegungen werden als Leistungsultraschall in das Prozessmedium, also eine Flüssigkeit oder Suspension, übertragen, um folgende Anwendungen zu ermöglichen:

• Ultraschall-Hochschermischen
• Ultraschall-Nassmahlen
• Dispergieren von Nanopartikeln mit Ultraschall
• Nanoemulgieren mit Ultraschall
• Ultraschallextraktion
• Ultraschalldesintegration
• Zellaufschluss und Lyse mit Ultraschall
• Entgasung und Entlüftung mit Ultraschall
• Sonochemie (Sonosynthese, Sonokatalyse)

Wie funktioniert Leistungsultraschall? – Das Wirkprinzip der akustischen Kavitation

Für Hochleistungs-Ultraschallanwendungen wie Homogenisieren, Partikelzerkleinerung, Desintegration oder die Herstellung von Nanodispersionen erzeugt ein Ultraschallwandler niederfrequenten Ultraschall hoher Intensität, der über Ultraschallhorn und Sonotrode in eine Flüssigkeit übertragen wird. Als Leistungsultraschall gilt Ultraschall im Bereich von 16–30 kHz. Die Sonotrode dehnt sich beispielsweise bei 20 kHz aus und zieht sich wieder zusammen. Dabei überträgt sie 20.000 Schwingungen pro Sekunde in das Medium. Wenn sich die Ultraschallwellen durch die Flüssigkeit ausbreiten, erzeugen abwechselnde Hochdruckphasen (Kompression) und Niederdruckphasen (Rarefaktion / Expansion) winzige Hohlräume (Vakuumblasen), die über mehrere Druckzyklen hinweg wachsen. Während der Kompressionsphase der Flüssigkeit und der Blasen ist der Druck positiv, während die Rarefaktionsphase ein Vakuum (Unterdruck) erzeugt. Während der Kompressions- und Expansionszyklen wachsen die Hohlräume in der Flüssigkeit, bis sie eine Größe erreichen, bei der sie keine weitere Energie mehr aufnehmen können. An diesem Punkt implodieren sie heftig. Die Implosion dieser Hohlräume führt zu verschiedenen hochenergetischen Effekten, die als Phänomen der akustischen Kavitation beziehungsweise Ultraschallkavitation bekannt sind. Akustische Kavitation zeichnet sich durch vielfältige hochenergetische Effekte aus, die auf Flüssigkeiten, Feststoff-Flüssigkeits-Systeme sowie Gas-Flüssigkeits-Systeme einwirken. Die Zone hoher Energiedichte oder Kavitationszone wird als sogenannte Hotspot-Zone bezeichnet. Ihre Energiedichte ist in unmittelbarer Nähe der Sonotrode am höchsten und nimmt mit zunehmendem Abstand von ihr ab. Zu den wichtigsten Merkmalen der Ultraschallkavitation gehören lokal auftretende sehr hohe Temperaturen und Drücke sowie entsprechende Temperatur- und Druckdifferenzen, Turbulenzen und Flüssigkeitsströmungen. Während der Implosion ultraschallerzeugter Hohlräume in Ultraschall-Hotspots lassen sich Temperaturen von bis zu 5000 Kelvin, Drücke von bis zu 200 Atmosphären und Flüssigkeitsstrahlen mit Geschwindigkeiten von bis zu 1000 km/h messen. Diese außergewöhnlich energiereichen Bedingungen tragen zu sonomechanischen und sonochemischen Effekten bei, die Prozesse und chemische Reaktionen auf vielfältige Weise intensivieren.
Die wichtigsten Auswirkungen der Ultraschallbehandlung auf Flüssigkeiten und Suspensionen sind:

• Hohe Scherkräfte: Hohe ultraschallerzeugte Scherkräfte brechen Strukturen in Flüssigkeiten und Flüssigkeits-Feststoff-Systemen auf und bewirken eine intensive Durchmischung, Homogenisierung und einen intensiven Stofftransport.
• Stoßwirkung: Durch Ultraschallkavitation erzeugte Flüssigkeitsstrahlen und Strömungen beschleunigen Feststoffe in Flüssigkeiten, wodurch es anschließend zu Zusammenstößen zwischen Partikeln kommt. Wenn Partikel mit sehr hohen Geschwindigkeiten zusammenstoßen, werden sie durch Erosion abgetragen, zerbrechen und werden fein gemahlen und dispergiert, oft bis in den Nanometerbereich. Bei biologischem Material wie Pflanzenmaterial brechen die schnellen Flüssigkeitsstrahlen und wechselnden Druckzyklen die Zellwände auf und setzen das intrazelluläre Material frei. Dies führt zu einer hocheffizienten Extraktion bioaktiver Verbindungen und zur homogenen Durchmischung biologischen Materials.
• Durchmischung: Die Ultraschallbehandlung erzeugt intensive Turbulenzen, Scherkräfte und Mikrobewegungen in der Flüssigkeit oder Suspension. Dadurch intensiviert die Beschallung stets den Stofftransport und beschleunigt somit Reaktionen und Prozesse.

Ultraschallhomogenisatoren und Hochschermischer werden in nahezu allen verarbeitenden Industriezweigen eingesetzt, die mit Flüssigkeiten oder Suspensionen arbeiten. Die starken Kavitationskräfte des Ultraschalls bewirken intensive Durchmischung, Scherung, Partikelbruch und Stofftransport. Dadurch werden Flüssigkeiten homogenisiert, dispergiert, emulgiert, extrahiert, gelöst und/oder chemische Reaktionen eingeleitet. Insgesamt ist die Ultraschallbehandlung ein Verfahren zur Prozessintensivierung, das die Ausbeute erhöht, die Umsatzraten verbessert und Prozesse effizienter macht.
Gängige industrielle Ultraschallanwendungen finden sich in vielen Bereichen der Lebensmittel- und Pharmaindustrie, der Feinchemie, der Energiebranche und Petrochemie, des Recyclings, in Bioraffinerien usw. und umfassen:

• Biodieselsynthese mit Ultraschall
• Homogenisierung von Fruchtsäften mit Ultraschall
• Herstellung von Impfstoffen mit Ultraschall
• Recycling von Lithium-Ionen-Batterien mit Ultraschall
• Synthese von Nanomaterialien mit Ultraschall
• Formulierung von Arzneimitteln mit Ultraschall
• Nanoemulgieren von CBD mit Ultraschall
• Extraktion von Pflanzenmaterial mit Ultraschall
• Probenvorbereitung mit Ultraschall in Laboren
• Entgasung von Flüssigkeiten mit Ultraschall
• Entschwefelung von Rohöl mit Ultraschall
• und vieles mehr …

Ultraschallhörner und Sonotroden für Hochleistungsanwendungen

Hielscher Ultrasonics ist ein Hersteller und Anbieter von Hochleistungs-Ultraschallgeräten mit langjähriger Erfahrung. Die Geräte werden weltweit für anspruchsvolle Anwendungen in zahlreichen Industriezweigen eingesetzt.
Mit Ultraschallprozessoren in allen Größen von 50 Watt bis 16 kW pro Gerät, Sonotroden in verschiedenen Größen und Formen sowie Ultraschallreaktoren mit unterschiedlichen Volumina und Geometrien bietet Hielscher Ultrasonics die passende Ausrüstung, um das ideale Ultraschallsystem für Ihre Anwendung zusammenzustellen.
Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Anhaltspunkt für die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte: