Ultraschalldesintegration: Benetzen, Lösen, Dispergieren

Ultraschallintegratoren werden häufig eingesetzt, um Partikel und Pulver in Flüssigkeiten zu benetzen, zu dispergieren oder zu lösen. Hochleistungsultraschallgeräte erzeugen intensive Scherkräfte, die Aggregate, Agglomerate und Primärpartikel auf mikroskopische Größen oder Nanogröße zerkleinern und zertrümmern. Die gleichmäßige Partikelbehandlung im akustischen Kavitationsfeld führt zu einer engen Partikelgrößenverteilung und einer einheitlichen Partikeloberfläche.

Ultraschalldesintegratoren und ihre Anwendungen

Ultraschalldesintegratoren erzeugen intensive Scherkräfte, die auf Feststoffe wie Partikel, Kristalle und Fasern die erforderliche mechanische Wirkung ausüben, um sie aufzubrechen und auf eine gewünschte Größe zu zerkleinern, z. B. auf Mikro- oder Nanogröße. Im Vergleich zu alternativen Desintegrationsverfahren mit Hochschermischern mit Mischflügeln, Hochdruckhomogenisatoren, Perlmühlen, Mikrofluidizern usw. bieten Ultraschalldesintegratoren einige wesentliche Vorteile.

Vorteile von Ultraschalldesintegratoren

• Hochintensive Kavitation und Scherung
• Gleichmäßige Partikelbehandlung
• Hohe Feststoffkonzentrationen
• Keine Düsen / kein Verstopfen
• Keine Mahlkörper (z. B. Perlen) erforderlich
• Lineare Skalierbarkeit
• Einfache und sichere Bedienung
• Leicht zu reinigen
• Zeit- und energieeffizient

 

Das Funktionsprinzip von Ultraschalldesintegratoren mit Sonotrode beruht auf der Erzeugung akustischer Kavitation. Über die Sonotrode werden hochintensive Ultraschallwellen in das Prozessmedium (d. h. Flüssigkeit oder Suspension) übertragen. Die Ultraschallwellen breiten sich in der Flüssigkeit aus und erzeugen dabei abwechselnde Hochdruck- und Niederdruckzyklen. Während der Niederdruckzyklen entstehen winzige Vakuumblasen, sogenannte Kavitationsblasen. Diese Kavitationsblasen wachsen über mehrere Druckzyklen hinweg, bis sie eine Größe erreichen, bei der sie keine weitere Energie mehr aufnehmen können. Zu diesem Zeitpunkt implodieren die Kavitationsblasen heftig und erzeugen lokal extreme Bedingungen wie sehr hohe Temperaturen und Drücke, extreme Temperatur- und Druckunterschiede (aufgrund hoher Aufheiz- und Abkühlraten sowie Druckschwankungen), Mikroturbulenzen und Flüssigkeitsströmungen mit Geschwindigkeiten von bis zu 180m/s. Diese Bedingungen üben erhebliche mechanische Wirkungen auf die Partikel im Medium aus, da die schnellen Flüssigkeitsströmungen die Partikel im Medium so beschleunigen, dass sie miteinander kollidieren. Durch diese Partikelkollisionen werden Feststoffe (z. B. Partikel, Fasern, Zellen) abgetragen, zertrümmert und in mikro- und nanoskalige Fragmente zerkleinert.
Die durch die Ultraschallbehandlung erzeugten starken Turbulenzen erhöhen den Stofftransport zwischen den Phasen und fördern dadurch das Lösen von Pulvern oder heterogene chemische Reaktionen. Dies macht Ultraschalldesintegratoren zum bevorzugten Werkzeug zur Intensivierung von Prozessen wie Mahlen, Dispergieren, Emulgieren und Lösen.

Erfahren Sie mehr über die Intensivierung chemischer Reaktionen durch Ultraschall (Sonochemie)!

Anwendungen von Ultraschalldesintegratoren

• Mahlen und Zerkleinern
• Deagglomeration und Dispergierung
• Emulgierung
• Lösen von Pulvern
• Verbesserung des Stofftransports
• Sonochemische Reaktionen

Ultraschalldesintegratoren zur Partikelzerkleinerung

Ultraschalldesintegratoren werden zur Partikelzerkleinerung und zur Verteilung von Partikeln eingesetzt, sei es zur eigentlichen Zerkleinerung von Primärpartikeln (als Mahlen bezeichnet) oder zum Aufbrechen von Agglomeraten (als Deagglomeration / Dispergierung bezeichnet).

Ultraschalldesintegratoren zum Mahlen und Zerkleinern

Durch Ultraschall erzeugte Kavitation bewirkt intensive Scherkräfte und damit verbundene Kollisionen zwischen Partikeln. Die Feststoffe in der Suspension dienen als Mahlkörper (vergleichbar mit Mahlperlen in einer Perlmühle): Sie werden durch die kavitationsbedingten Flüssigkeitsströmungen beschleunigt, die leicht Geschwindigkeiten von bis zu 180m/s erreichen. Wenn die Partikel mit einer derart enormen Geschwindigkeit aufeinanderprallen, brechen und zerfallen sie in mikro- und nanoskalige Fragmente. Ultraschalldesintegratoren können sogar Primärpartikel aufbrechen. Ultraschallreaktoren mit Durchflusszellen gewährleisten die gleichmäßige Behandlung aller Partikel, sodass das Ultraschallmahlen zu einer engen Partikelgrößenverteilung führt.
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Ultraschalldesintegratoren zur Deagglomeration und Dispergierung

Die Ultraschallprozessparameter lassen sich sehr präzise steuern, sodass Ultraschalldesintegratoren bei hohen Amplituden und erhöhtem Druck Primärpartikel zerkleinern können. Andererseits lassen sich Ultraschalldesintegrationssysteme auch bei niedrigeren Amplituden und milderen Bedingungen betreiben, sodass die Partikelstruktur und die Oberfläche intakt bleiben, während Agglomerate aufgebrochen und die einzelnen Partikel gleichmäßig in der Suspension verteilt werden.
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Ultraschalldispergierung von pyrogener Kieselsäure: Der Hielscher Ultraschallhomogenisator UP400S dispergiert Kieselsäurepulver schnell und effizient zu einzelnen Nanopartikeln.

Ultraschalldesintegratoren zur Emulgierung

Wenn zwei nicht miteinander mischbare Flüssigkeiten (z. B. Wasser und Öl) beschallt werden, zerkleinert die Ultraschallkavitation die Tropfen – dabei entstehen sehr kleine Tropfen der beiden nicht mischbaren Phasen, die anschließend miteinander vermischt werden. Da Ultraschalldesintegratoren problemlos nanoskalige Tropfen erzeugen, weisen stabilisierte Ultraschallemulsionen eine langfristige Stabilität und ein klares, transparentes Erscheinungsbild auf.
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Ultraschalldesintegratoren zum Lösen

Ultraschalldesintegratoren werden eingesetzt, um Pulver und Tabletten in einem schnellen, einfachen und sicheren Verfahren zu lösen. Durch Ultraschall erzeugte Kavitation trägt die Oberfläche von Feststoffen ab und transportiert die abgetragenen Fragmente in die Flüssigkeit, wodurch eine homogene Lösung entsteht.
In der pharmazeutischen Industrie gehört das Auflösen von Tabletten zu den täglichen Aufgaben, z. B. für analytische Zwecke. Wenn Tabletten einer wässrigen Umgebung ausgesetzt werden, lösen sie sich langsam in einem sehr zeitaufwendigen Prozess auf. Selbst beim Einsatz eines herkömmlichen Rührers oder Flügelrührers bleibt das vollständige Auflösen von Tabletten zeitaufwendig. Die Ultraschallkavitation und ihre außerordentlich intensiven Scherkräfte lösen die Partikel von der Tablette ab und transportieren sie in das Verdünnungsmittel. Dadurch bleibt der Stofftransport zwischen der Tablettenoberfläche und frischem, ungesättigtem Verdünnungsmittel kontinuierlich in Gang. Dies macht das Lösen mit Ultraschall zu einem äußerst schnellen und effizienten Prozess, der dazu beiträgt, die Auflösung von Arzneimitteln zu beschleunigen.
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Das Auflösen ist eine der vielen Anwendungen von Leistungsultraschall. Das Video zeigt das schnelle Auflösen von Geleefiguren in Wasser mit dem Hielscher UP200St.

Wie funktioniert ein mechanischer Desintegrator?

Ultraschalldesintegratoren für das Labor arbeiten nach demselben mechanischen Prinzip wie industrielle Desintegratoren. Desintegrator-Mischsysteme zerkleinern Agglomerate und Aggregate, lösen Feststoffe oder dispergieren feste Partikel in Flüssigkeitsgemischen. Bei der Ultraschalldesintegration wird eine Sonotrode mit hoher Ultraschallintensität in einem Chargenbehälter oder in einem Inline-Durchflusszellenreaktor eingesetzt. Die Sonotrode des Ultraschalldesintegrators schwingt mit sehr hoher Frequenz in der Flüssigkeit und erzeugt darin intensive Ultraschallkavitation. Jeder Kollaps einer Kavitationsblase erzeugt starke Scherkräfte, die Agglomerate, Aggregate und sogar Primärpartikel aufbrechen. Außerdem erzeugt die Ultraschallkavitation schnelle Kavitationsströmungen mit bis zu 1000km/h. Die kavitationsbedingten Flüssigkeitsstrahlen treffen auf Partikelagglomerate, brechen Zellwände auf, verbessern den Stofftransport innerhalb der Suspension und dispergieren Feststoffe im gesamten Flüssigkeitsvolumen. Im Ultraschallkavitationsfeld wechseln die Drücke schnell und wiederholt zwischen Vakuum und bis zu 1000bar. Ein Rotationsmischer mit 4 Mischflügeln müsste mit erstaunlichen 300.000 RPM betrieben werden, um dieselbe Frequenz wechselnder Druckzyklen zu erreichen. Herkömmliche Rotationsmischer und Rotor-Stator-Mischer erzeugen aufgrund ihrer begrenzten Drehzahl keine nennenswerte Kavitation.

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Ultraschalldesintegratoren für das Labor

Ultraschallgeräte mit Sonotrode sind in jedem Labor sehr nützliche Werkzeuge. Eine Ultraschallsonotrode ist ein leicht zu reinigender Titanstab mit einfacher Geometrie, der Ultraschallschwingungen in eine Flüssigkeit einkoppelt. Hielscher stellt Sonotroden und Sonotrodenspitzen in zahlreichen Größen her. Für die gängigsten Anwendungen der Feststoffdesintegration im Labor sind Sonotroden mit Spitzendurchmessern von 3, 7, 14 oder 22mm sehr nützlich. Weitere Sonotrodengrößen sowie Sonotroden mit kundenspezifischen Abmessungen sind erhältlich. Typische Ultraschallgeräte für die Desintegration im Labor verfügen über eine Ultraschallleistung von 100 bis 400 Watt.

Industrielle Ultraschalldesintegratoren

Die industriellen Desintegratoren von Hielscher sind Hochleistungsultraschallprozessoren, die für die kontinuierliche Desintegration großer Suspensionsströme unter hoher Belastung ausgelegt sind. Diese industriellen Systeme können problemlos hohe Feststoffkonzentrationen verarbeiten. Industrielle Sonotroden sind mit einem Flansch ausgestattet, der sich in beliebiger Ausrichtung an Stahltanks, Glasreaktoren oder Kunststoffbehältern montieren lässt. Die Druckbeaufschlagung des Beschallungsbehälters oder der Durchflusszelle intensiviert die akustische Kavitation und damit den Beschallungsprozess. Typische industrielle Ultraschalldesintegrationsanlagen verfügen über eine Ultraschallleistung von 1000 bis 16.000 Watt pro Sonotrode.

Branchen und Anwendungsgebiete, in denen die Ultraschalldesintegration weit verbreitet ist:

• Dispergieren, Lösen und Mischen von Feststoff-Flüssigkeits-Formulierungen
• Materialwissenschaft
• Probenvorbereitung vor der Analyse
• Nanopartikelanwendungen
• Partikelfunktionalisierung
• Phasentransferreaktionen
• Kristallisation / Fällung
• Lebensmittelverarbeitung
• Papierindustrie
• Biomasseaufschluss

Wie kaufe ich den richtigen Ultraschalldesintegrator?

Hielscher Ultrasonics ist ein Hersteller mit langjähriger Erfahrung in der Fertigung von Hochleistungsultraschalldesintegratoren, die zum Dispergieren und Zerkleinern von Partikeln oder zum Lösen von Pulvern in Flüssigkeiten eingesetzt werden. Als Marktführer entwickelt, fertigt und vertreibt Hielscher Ultraschalldesintegratoren und Homogenisatoren vom Labor- und Technikumsmaßstab bis hin zum industriellen Großmaßstab.

Wir helfen Ihnen bei der Beantwortung der folgenden Fragen, um den für Ihre Anwendung und Ihre Anforderungen am besten geeigneten Ultraschalldesintegrator zu finden:

• Für welche Anwendung möchten Sie das Gerät einsetzen?
• Welches Volumen muss üblicherweise verarbeitet werden?
• Was sind die kritischen Faktoren des Prozesses?
• Welche Qualitätsstandards müssen erreicht werden?

Unsere gut ausgebildeten und erfahrenen Mitarbeiter unterstützen Sie bei allen Fragen und bei der Konzeption Ihres Prozesses. Hielscher Ultrasonics bietet eine umfassende Beratung zu Ultraschallprozessen, um unseren Kunden bei der Auswahl des optimalen Ultraschallgeräts zu helfen. Der Service von Hielscher geht jedoch noch weiter: Wir schulen unsere Kunden entweder bei ihnen vor Ort oder in unserem Ultraschallprozesslabor und Technikum, um sie bei der Prozessentwicklung, Optimierung und Maßstabsvergrößerung zu unterstützen.
Die industriellen Ultraschallprozessoren von Hielscher Ultrasonics liefern problemlos sehr hohe Amplituden, die erforderlich sind, um harte Partikel und Agglomerate zu zerkleinern oder Suspensionen mit hoher Feststoffkonzentration zu verarbeiten. Die industriellen Desintegratoren von Hielscher können mit Amplituden von bis zu 200µm kontinuierlich im 24/7-Betrieb arbeiten. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschallsonotroden erhältlich. Weiteres Zubehör wie Boosterhörner, Durchflusszellen, Beschallungsreaktoren und vollständige Rezirkulationssysteme ist ebenfalls erhältlich und ermöglicht es, Ihr Ultraschallsystem entsprechend Ihren Prozessanforderungen zu konfigurieren.

Ausgereifte Ultraschalldesintegratoren und Dissolver

Hielscher Ultrasonics konzentriert sich auf Hochleistungsdesintegratoren mit höchster Benutzerfreundlichkeit und modernster Technik. Das bedeutet, dass die Labordesintegratoren von Hielscher zunehmend mit den intelligenten Funktionen industrieller Maschinen ausgestattet werden. Anwender können die digitalen Ultraschallgeräte von Hielscher über eine Browser-Fernsteuerung bedienen. Die Software zur automatischen Datenaufzeichnung speichert alle wichtigen Ultraschallparameter wie Nettoleistung, Gesamtleistung, Amplitude, Temperatur, Druck, Uhrzeit und Datum als CSV-Datei auf einer integrierten SD-Karte. Darüber hinaus lässt sich der Ultraschalldesintegrator so programmieren, dass er sich nach einer festgelegten Zeit oder einem bestimmten Energieeintrag automatisch abschaltet. Auch pulsierende Beschallungsmodi können programmiert werden. Anschließbare Temperatur- und Drucksensoren ermöglichen eine genaue Überwachung der Probenbedingungen. Da die Temperaturkontrolle bei wärmeempfindlichen Materialien ein entscheidender Faktor für die Qualität der Prozessergebnisse ist, bietet Hielscher verschiedene Lösungen, um die Prozesstemperatur im gewünschten Temperaturbereich zu halten.
Die ausgereiften Funktionen der Ultraschallgeräte von Hielscher gewährleisten höchste Prozesskontrolle, zuverlässige und reproduzierbare Beschallungsergebnisse, Benutzerfreundlichkeit und Arbeitskomfort.
Die industriellen Ultraschallprozessoren von Hielscher Ultrasonics können sehr hohe Amplituden liefern. Amplituden von bis zu 200µm lassen sich problemlos kontinuierlich im 24/7-Betrieb nutzen. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschallsonotroden erhältlich. Die Möglichkeit, mit derart hohen Amplituden zu arbeiten, ermöglicht es unseren Kunden, Primärpartikel effektiv auf Nanogröße zu mahlen. Die Robustheit der Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglicht den 24/7-Betrieb unter hoher Belastung und in anspruchsvollen Umgebungen.
Erfahren Sie mehr über das Lösen mit Ultraschall und die dafür eingesetzten Geräte!

Qualität – Made in Germany

Als Unternehmen in Familienbesitz und unter Familienführung ist Hielscher stolz auf die hohe Qualität seiner Ultraschallprozessoren. Alle Ultraschallgeräte werden an unserem Hauptsitz in Teltow bei Berlin, Deutschland, entwickelt, hergestellt und geprüft. Die Robustheit der Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglicht den 24/7-Betrieb unter hoher Belastung und in anspruchsvollen Umgebungen.

Ultraschalldesintegratoren von Hielscher sind in unterschiedlichsten Größen und Preisklassen erhältlich, sodass Sie ein erschwingliches Ultraschallgerät passend zu Ihrem Budget finden können. Von der Partikeldesintegration in kleinen Laborgefäßen bis zur kontinuierlichen Desintegration von Suspensionen im Durchfluss in der industriellen Produktion hat Hielscher Ultrasonics einen geeigneten Desintegrator für Sie! Kontaktieren Sie uns – wir empfehlen Ihnen gerne das am besten geeignete Ultraschallgerät!
Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Überblick über die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte: