High-Shear Mischen mit Ultraschall
Hochschermischer koppeln hohe Scherkräfte in Flüssigkeiten und Slurries ein, um eine gleichmäßige Dispergierung, Mischung und Emulgierung von zwei oder mehr Flüssig/Fest- oder Flüssig/Flüssig-Phasen zu erzielen. Ultraschall erzeugt hohe Scherkräfte mittels akustischer Kavitation, die auftritt, wenn Hochleistungs-Ultraschall in Flüssigkeiten eingetragen wird. Ultraschall-Hochschermischer und -Dispergierer sind überlegene Mischsysteme, die typische Hochschermischer, Zweiwellenmischer, Hochdruckhomogenisatoren, Kolloidmühlen und Rührwerke leicht übertreffen.
Die Vorteile von Ultraschall-Hochschermischern
Ultraschall-Hochschermischer sind vom 50W Laborhomogenisatoren bis hin zu 16.000W leistungsstarken industriellen Mischsystemen erhältlich. Das breite Portfolio von Labor-, Benchtop- und Industrie-Ultraschall-Hochschermischern bietet Ihnen den idealen Ultraschall-Hochschermischer für Ihre Anwendung und Ihr Produktionsvolumen.
Hohe Amplituden an der Ultraschallsonotrode erzeugen intensive Kavitation mit Flüssigkeitsströmen, die sehr hohe Geschwindigkeiten erreichen und komplexe Turbulenzen erzeugen. Die ultraschall-generierte intensive hydraulische und mechanische Scherung reduziert Partikel und Tröpfchen auf Mikro- und Nanogröße. Da die Beschallungsprozessparameter präzise steuerbar und einstellbar sind, können die Effekte des Mischens, Mahlens und Dispergierens präzise an das Ausgangsmaterial sowie das Prozessziel angepasst werden. Ultraschall-Hochschermischer reduzieren die Misch-/Mahlzeit und produzieren zuverlässig feine und ultrafeine Dispersionen.
Ultraschallmischer können für Batch- sowie für kontinuierliche Durchfluss-Prozesse eingesetzt werden. Die Vielfalt der Ultraschall-Durchflusszellen und Reaktoren erlaubt auch das Mischen von Strömen mit sehr unterschiedlichen Durchflussraten und Viskositäten. Ultraschall-Hochschermischer können sehr hohe Feststoffkonzentrationen verarbeiten und auch sehr abrasive Partikel sind kein Problem.
Wie funktioniert das Hochscher-Mischen mittels Ultraschall?
Ultraschall-Hochschermischer verwenden das gleiche mechanische Prinzip wie konventionelle industrielle Mischsysteme, z.B. Hochschermesser, Zweiwellenmischer, Kolloidmühlen, Hochdruckhomogenisatoren und Schaufelrührwerke. Ultraschall-Mischsysteme werden verwendet, um Partikel zu dispergieren und zu mahlen, Öl- und Wasserphasen zu emulgieren, Feststoffe zu lösen und verschiedene Materialien in Flüssigkeiten und Slurries zu einer homogenen Mischungen zu verarbeiten. Bei Ultraschallschermischer ragt eine Ultraschallsonotrode in ein Mischgefäß, z.B. in einen Tank oder in eine Durchflusszelle. Die Ultraschall-Sonotrode schwingt in der Flüssigkeit mit sehr hoher Frequenz (ca. 20kHz) und erzeugt intensive Ultraschallkavitation in der Flüssigkeit. Die Implosion der Kavitationsblasen führt zu starken Scherkräften, welche Tropfen, Agglomerate, Aggregate und sogar Primärpartikel aufbrechen und zerschlagen. Da Ultraschallkavitation Hochgeschwindigkeitskavitationsströmung mit bis zu 1000 km/h erzeugt, beschleunigen die kavitationalen Flüssigkeitsströne auch die in der Flüssigkeit vorhandenen Partikel. Wenn die beschleunigten Partikel miteinander kollidieren, fungieren die Partikel als Mahlkörper. Die kollidierenden Partikel werden zerschlagen und auf Mikron- oder Nanogröße reduziert. Im Ultraschall-Kavitationsfeld wechseln sich die Drücke schnell und wiederholt zwischen Vakuum und bis zu 1000bar ab. Ein Rührwerk mit 4 Mischerschaufeln müsste mit sagenhaften 300.000 Umdrehungen pro Minute betrieben werden, um die gleiche Frequenz von Wechseldruckzyklen zu erreichen. Konvetionelle Schaufelmischer und Rotor-Stator-Mischer erzeugen aufgrund ihrer Geschwindigkeitsbegrenzung keine nennenswerte Kavitation.
Ultraschall-Hochschermischer UIP2000hdT, eine 2kW leistungsstarkes Mischsystem
Prozess-Tipp: Ultraschall-Mischen unter Druck
Beaufschlagt man den Ultraschallreaktor oder die Durchflusszelle mit Druck, wird dadurch die akustische Kavitation verstärkt. Hielscher Ultrasonics liefert verschiedene Durchflusszellen- und Reaktortypen, die leicht bis zu 5 barg Druck beaufschlagt werden können. Kundenspezifisch angefertigte Ultraschallreaktoren können mit höheren Drücken bis zu 300barg arbeiten.
Ultraschall-Hochschermischer und ihre Anwendungen
Ultraschall-Hochschermischer erzeugen intensive Scherkräfte, welche die erforderlichen Effekte auf Partikel, z.B. Feststoffe, Tröpfchen, Kristalle und Fasern, haben, um sie zu zerschalgen und auf eine gezielte Größe zu reduzieren, welche im Mikron- oder Nanobereich liegt. Je nach Werkstoffhärte und Sprödigkeit des Ausgangsmaterials können die Ultraschall-Prozessparameter exakt eingestellt werden, um das angestrebte Mischergebnis zu erzielen. Im Vergleich zu alternativen Mischverfahren wie Hochscherrührern, Hochdruckhomogenisatoren, Kolloid-/Perlmühlen, Wellenmischern etc. bieten Ultraschall-Dispergatoren einige wesentliche Vorteile.
Vorteile von Ultraschall-Hochschermischern
- Hochintensive Kavitation und Scherkräfte
- Gleichmäßige Partikelverarbeitung
- hohe Feststoffkonzentrationen verarbeiten
- Keine Düsen / kein Verstopfen
- Kein Mahlmedium (d.h. Perlen) erforderlich
- lineare Skalierbarkeit
- einfacher & sicherer Betrieb
- Leicht zu reinigen
- Zeit - & energieeffizient
Ultraschall-Hochschermischer zur Partikelgrößenreduzierung
Ultraschalldesintegratoren werden zur Partikelzerkleinerung und Partikelverteilung eingesetzt, sei es zur echten Zerkleinerung von Primärpartikeln (als Mahlen bezeichnet) oder zum Aufbrechen von Agglomeraten (als Deagglomeration / Dispergierung bezeichnet).
Lesen Sie mehr über das Ultraschall-gestützte Mahlen und Dispergieren von Partikeln!
Ultraschall-Hochschermischer für die Emulgierung
Wenn zwei nicht mischbare Flüssigkeiten (z. B. Wasser und Öl) mit einem Ultraschallmischer beschallt werden, zerreißt die Ultraschallkavitation die Tröpfchen – dadurch entstehen sehr kleine Tröpfchen der beiden unmischbaren Phasen, welche dann miteinander vermischt werden. Da Ultraschall-Hochschermischer problemlos nanogroße Tröpfchen produzieren, weisen stabilisierte Ultraschallemulsionen normalerweise eine hohe Langzeitstabilität und ein klares transparentes Erscheinungsbild auf.
Da jede Art von Emulsion ihren spezifischen Emulgier-/Schergrenzwert hat, bei der optimale Tröpfchengröße und -eigenschaften erhalten werden, ist die präzise Einstellung der Mischparameter entscheidend. Während zu niedrige Scherung zu zu großen Tröpfchen führt, welche sich schnell absetzen und zu einer Phasentrennung führen, kann zu hohe Scherung das Produkt zerstören. Ultraschall-Hochschermischer können präzise gesteuert und an die Prozessanforderungen angepasst werden.
Klicken Sie hier, um mehr über die Ultraschall-Nanoemulgierung zu erfahren!
Ultraschall-Hochschermischer UP200Ht zur Emulgierung
Ultraschall-Hochschermischer zum Mischen und Lösen
Ultraschall-Hochschermischer werden verwendet, um Partikel wie Pulver, Pigmente und Fasern in einem schnellen, zuverlässigen und einfachen Prozess zu mischen, mahlen, dispergieren und lösen. Mittels Ultraschall erzeugte Kavitation erhöht den Massetransfer zwischen Feststoffen und Flüssigkeit. Ultraschallkavitation hat einen starken Einfluss auf Feststoffpartikel: Die kavitations-induzierten Flüssigkeitsströme erodieren die Oberfläche von Feststoffen und transportieren die erodierten Fragmente in die Flüssigkeit, wodurch eine homogene Suspension entsteht.
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Anwendung von Ultraschall-Hochschermischern
- Mahlen & Feinmahlen
- Desagglomeration & Dispersion
- Emulgierung
- Lösen von Pulvern
- Verbesserung des Massetransfers
- sonochemische Reaktionen
Der SonoStation – ein Ultraschallsystem mit 2x 2kW Ultraschallgeräten, Rührtank und Pumpe – ist ein benutzerfreundliches System zum Mischen, Mahlen und Dispergieren.
High-Shear-Mixer in jeder Größe
Hielscher Ultrasonics entwickelt, produziert und vertreibt Hochleistungs-Hochleistungsmischer vom kompakten, aber leistungsstarken Laborgerät bis hin zu Pilot- und Industrie-Hochschermischern zur Verarbeitung großer Volumenströme auf kommerziellem Produktionsniveau.
Hochschermischer für das Labor
Sonotroden-Ultraschallmischer sind in fast jedem Labor zu finden und haben sich dort als zuverlässiges Werkzeug etabliert. Da Ultraschallprozesse linear auf große Mengen skaliert werden können, sind Hielscher Ultraschall-Hochschermischer ideal, um Ihren Prozess im kleinen Maßstab zu entwickeln und zu optimieren. Nach der Ermittlung der optimalen Prozessparameter kann Ihre Mischanwendung linear auf Pilot- und Massenproduktion hochskaliert werden.
Hielscher bietet Ultraschall-Hochschermischer für das Labor mit Ultraschall-Leistung von 50 bis 400 Watt an.
Hochschermischer für die Industrie
Hielscher Industrie-Hochschermischer sind Hochleistungs-Ultraschallprozessoren, die zum Mahlen, Dispergieren, Emulgieren und Mischen hochvolumiger Slurries entwickelt wurden. Diese Industriemischer verarbeiten problemlos hohe Feststoffkonzentrationen und abrasive Partikel. Die Sonotrode (Ultraschallstab) der industriellen Ultraschall-Hochschermischer ist mit einem Flansch ausgestattet, so dass der Mischer in Stahltanks, Glasgefäße oder Kunststoffbehälter in beliebiger Ausrichtung integriert werden kann. Dadurch wird es möglich, das Beschallungsgefäß mit Druck zu beaufschlagen. Der Druck auf das Ultraschallgefäß oder die Durchflusszelle verstärkt die akustische Kavitation und intensiviert dadurch den Ultraschall-Mischprozess. Hielscher Ultrasonics bietet industrielle Hochschermischer mit 500 bis 16.000 Watt pro Ultraschallprozessor. Mit dem UIP16000 bietet Hielscher den leistungsstärksten Ultraschall-Hochschermischer weltweit.
Hochviskose Materialien? – Kein Problem! Alle Hielscher Ultraschallprozessoren aus den Geräteklassen "Bench-Top" und "Industrie" können zähflüssige Schlämme von bis zu 250.000 Centipoise problemlos verarbeiten. Für Viskositäten von mehr als 2.000cPs empfehlen wir die Verwendung von Durchflusszellen in Kombination mit Exzenterschneckenpumpe, um die Einkopplung der Ultraschallwellen in die Flüssigkeit zu verbessern.
Wie finde ich den richtigen Ultraschall-Hochschermischer?
Hielscher Ultrasonics ist langjährig erfahrener Hersteller leistungsstarker und zuverlässiger Ultraschall-Hochschermischsysteme, die zum Dispergieren und Mahlen von Partikeln, zur Herstellung von Nanoemulsionen oder zum Lösen von Pulvern in Flüssigkeiten eingesetzt werden. Als Marktführer für Ultraschallmischer entwickelt, produziert und vertreibt Hielscher Ultraschall-Hochschermischer und Homogenisatoren vom Labor und Benchtop bis hin zu Pilot- und vollindustriellen Anlagen.
Die Beantwortung der folgenden Fragen hilft Ihnen, den für Ihren Prozess am besten geeigneten Hochschermischer zu finden:
- Was ist Ihre Zielanwendung?
- Wie groß ist das typische Volumen, das verarbeitet werden muss?
- Was sind die kritischen Faktoren des Prozesses?
- Welche Qualitätsstandards müssen erreicht werden?
Unsere gut ausgebildeten und erfahrenen Mitarbeiter stehen Ihnen bei Fragen und der Konzeption Ihres Mischprozesses zur Seite. Hielscher Ultrasonics bietet eine umfassende Beratung zur Ultraschallverarbeitung, um unseren Kunden bei der Suche nach dem idealen Ultraschall-Hochschermischer zu helfen. Aber Hielschers Service endet hier nicht, wir schulen Kunden entweder in ihrem eigenen Werk oder in unserem Ultraschall-Prozesslabor und technischen Zentrum, um sie bei der Prozessentwicklung, Optimierung und Skalierung zu unterstützen.
Hielscher Ultrasonics‘ industrielle Ultraschallprozessoren liefern problemlos sehr hohe Amplituden, die erforderlich sind, um harte Partikel und Agglomerate zu dispergieren oder Schlämme mit hoher Feststoffkonzentration zu verarbeiten. Hielscher Industriemischer laufen im kontinuierlichen 24/7-Betrieb problemlos mit Amplituden von bis zu 200µm. Wenn bestimmte Prozesse noch höhere Amplituden erfordern, stehen kundenspezifische Ultraschallsonotroden zur Verfügung. Zudem ist Zubehör wie Boosterhörner, Durchflusszellen, Beschallungsreaktoren und komplette Rezirkulations-Setups verfügbar, wodurch es möglich ist, Ihr Ultraschall-Mischsystem optimal an Ihre Prozessanforderungen anzupassen. Alle Sonotroden und Reaktoren, welches die einzigen Teile sind, die mit dem Medium in Berührung kommen, sind CIP/SIP (clean in place / sterilize in place).
Ultraschall-Hochschermischer mit durchdachtem Design
Hielscher Ultrasonics ist spezialisiert auf Entwicklung, Design und Fertigung von Hochleistungs-Desintegratoren, die sich durch höchste Bedienerfreundlichkeit und modernste Technologie auszeichnen. Das bedeutet, dass sich die Standards der Hielscher Labordesintegratoren immer mehr der Intelligenz und technischen Ausgereiftheit von Industriemaschinen anpassen. So kann der Anwender Hielscher's digitale Ultraschallgeräte mittels Browser-Fernbedienung steuern. Die Software für automatische Datenprotokollierung schreibt alle wichtigen Ultraschallparameter wie Nutzleistung, Gesamtleistung, Amplitude, Temperatur, Druck, Zeit und Datum als CSV-Datei auf eine integrierte SD-Karte. Außerdem kann der Ultraschall-Desintegrator so programmiert werden, dass er sich nach einer bestimmten Zeit oder einem bestimmten Energieeintrag automatisch abschaltet.Auch pulsierende Beschallungsmodi können einfach und schnell voreingestellt und im Menü abgespeichert werden. Steckbare Temperatur- und Drucksensoren ermöglichen eine genaue Überwachung der Probenbedingungen. Da die Temperaturkontrolle von wärmeempfindlichen Materialien ein entscheidender Faktor für die Qualität der Prozessergebnisse ist, bietet Hielscher verschiedene Lösungen an, um die Prozesstemperatur im gewünschten Temperaturbereich zu halten.
Die ausgeklügelten Funktionen der Hielscher Ultraschallgeräte gewährleisten höchste Prozesskontrolle, zuverlässige und reproduzierbare Beschallungsergebnisse, Benutzerfreundlichkeit und Arbeitskomfort.
Qualität – Made in Germany
Als familiengeführtes Unternehmen setzt Hielscher auf höchste Qualitätsstandards für seine Ultraschallprozessoren. Alle Ultraschallgeräte werden in unserem Hauptsitz in Teltow bei Berlin entwickelt, hergestellt und gründlich getestet. Robustheit und Zuverlässigkeit machen Hielscher Ultraschallgeräte zu einer zuverlässigen Technologie in Ihrer Produktion. Der 24/7-Betrieb unter Volllast und in anspruchsvollen Umgebungen ist ein selbstverständliches Merkmal der Hielscher Hochleistungsmischer.
Sie können Hielscher Ultraschall-Hochschermischer in jeder beliebigen Größe kaufen und für Ihren Prozess konfiguriert. Von der Behandlung von Flüssigkeiten in einem kleinen Labor-Becherglas bis zum kontinuierlichen Durchfluss-Durchmischen von Schlämmen auf industrieller Ebene bietet Hielscher Ultrasonics einen passenden Hochschermischer für Sie! Bitte kontaktieren Sie uns – wir empfehlen Ihnen gerne den idealen Ultraschallmischer!
In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallhomogenisatoren:
| Batch-Volumen | Durchfluss | Empfohlenes Ultraschallgerät |
|---|---|---|
| 1 bis 500ml | 10 bis 200ml/min | UP100H |
| 10 bis 2000ml | 20 bis 400ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 bis 20l | 0,2 bis 4l/min | UIP2000hdT |
| 10 bis 100l | 2 bis 10l/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 bis 100l/min | UIP16000 |
| n.a. | größere | Cluster aus UIP16000 |
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Leistungsstarke Ultraschall-Homogenisatoren von Labor bis Pilot- und industrielle Maßstab.
Wissenswertes
Ultraschallgeräte und ihre Verwendung als Hochschermischer
Ultraschallstabschwinger sind Ultraschallprozessoren mit einer Sonotrode. Ein Ultraschallstabschwinger überträgt Ultraschallschwingungen über eine Ultraschallsonotrode in das Verarbeitungsmedium. Die Sonotrode, auch Ultraschallstab oder Ultraschallfinger genannt, ist ein Titanstab, welcher in Ultraschallfrequenz vibriert, z.B. 20kHz. Vibrationen bei 20 kHz bedeuten, dass sich die horizontale Oberfläche der Sonotrode 20.000 Mal pro Sekunde ausdehnt und zusammenzieht. Diese schnellen Bewegungen im Ultraschall-Frequenzbereich an der Ultraschallsonotrodenspitze werden in die Flüssigkeit gekoppelt. In der Flüssigkeit wandern die Ultraschallwellen durch das Medium und erzeugen abwechselnde Hochdruck- und Niederdruckzyklen. Während des Niederdruckzyklus entstehen winzige Vakuumblasen, die über mehrere Druckzyklen heranwachsen, bis sie einen Punkt erreichen, an dem sie keine weitere Energie aufnehmen können. Am Punkt des maximalen Wachstums platzt die Kavitationsblase heftig. Die Implosion führt zu einem energiedichten Feld mit sehr hohen Temperaturen und Drücken, Temperatur- und Druckdifferenzen, Flüssigkeitsströmen mit Geschwindigkeiten von bis zu 180m/sec und Turbulenzen. Diese Kavitationsenergie hat einen starken Einfluss auf Flüssigkeiten und Slurries, was zu außergewöhnlichen Mischungs-, Misch-, Mahl-, Dispergier- und Emulgierungsergebnissen führt. Ultraschall-Hochschermischer können effizient nano-skalige Partikel und Tröpfchen mit einer sehr schmalen Partikel-/Tröpfchengrößenverteilungskurve produzieren.
Lesen Sie hier, was die Unterschiede zwischen Ultraschall / akustischer Kavitation und hydrodynamischer Kavitationsbearbeitung sind!
Einsatzgebiete für Ultraschall-Hochschermischer
- Dispergieren, Lösen, Mischen von Fest/Flüssig-Formulierungen
- Emulgierung
- Material Science / Werkstoffkunde
- Probenvorbereitung vor der Analyse
- Nanopartikel-Anwendungen
- Partikel-Funktionalisierung
- Phasentransfer-Reaktionen
Literatur / Literaturhinweise
- Pohl M.; Schubert H. (2004): Dispersion and deagglomeration of nanoparticles in aqueous solutions. International Congress for Particle Technology PARTEC 2004; Nuremberg, Germany.
- Thomas Leong, Muthupandian Ashokkumar, Sandra Kentish(2011): The Fundamentals of Power Ultrasound. – A Review. Acoustics Australia, 54 – Vol. 39 August 2011.
- Karl A. Kusters, Sotiris E. Pratsinis, Steven G. Thoma, Douglas M. Smith (1994): Energy-size reduction laws for ultrasonic fragmentation. Powder Technology, Volume 80, Issue 3, September 1994. 253-263.
- Pekarovicova, A.; Pekarovic, J. (2009): Emerging Pigment Dispersion Technologies. Pira International (2009).
- S.E. Karekar; B.A. Bhanvase; S.H. Sonawane; M.P. Deosarkar; D.V. Pinjari; A.B. Pandit(2014): Synthesis of zinc molybdate and zinc phosphomolybdate nanopigments by an ultrasound assisted route: Advantage over conventional method. Chemical Engineering and Processing 87; Nov. 2014.