Hocheffiziente Entlüftung von Flüssigkeiten mit Ultraschall

Während die Entgasung oder Ausgasung häufig ein äußerst zeitaufwendiger Prozessschritt ist, kann eine Ultraschallbehandlung die Koaleszenz von Gasblasen und deren Aufsteigen erheblich beschleunigen. Die Ultraschallentgasung kann sowohl im Chargenbetrieb als auch in Inline-Anlagen eingesetzt werden. Sie lässt sich zudem mit herkömmlichen Entgasungsverfahren wie der Begasung mit Inertgasen, Rotorentgasern, Erwärmung oder Vakuum kombinieren, um die Effizienz und Geschwindigkeit der Gasentfernung zu erhöhen.

Entfernung von Gas aus Flüssigkeiten

Die Begriffe Entlüftung, Entgasung und Ausgasung bezeichnen die Entfernung freier und gelöster Gase, insbesondere reaktiver Gase wie Sauerstoff oder CO2, aus einem Fluid. Die Entfernung von Sauerstoff ist wichtig, um nachteilige Veränderungen des Endprodukts zu verhindern und die nachfolgende Verarbeitung zu verbessern. Die Entgasung ist für viele Anwendungen und Branchen ein notwendiger Verarbeitungsschritt. In der industriellen Fertigung ist sie ein üblicher Prozessschritt, um Produktstabilität, Qualität und gleichbleibende Produktstandards sicherzustellen. Sauerstoff beeinflusst die Produktqualität und -stabilität auf verschiedenen Ebenen.
Daher ist die Entlüftung ein etablierter Prozessschritt in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie sowie in der chemischen, pharmazeutischen und kosmetischen Industrie. Aber auch in Laboren müssen Proben vor der Analyse häufig entgast werden (z. B. vor HPLC, Assays, Partikelmessungen usw.).
Mischprozesse mit beispielsweise hochscherenden Schaufelmischern oder rotierenden Impellermischern machen häufig eine anschließende Entgasung des Produkts erforderlich, da diese Mischverfahren üblicherweise große Gasmengen in das Produkt eintragen. Solche Gas- und Lufteinschlüsse wirken sich in der Regel negativ auf das Produkt aus: Sie können Fette und Öle ranzig werden lassen und Produkte durch Oxidation, Verfärbungen sowie unerwünschte Geruchs- und Geschmacksveränderungen beeinträchtigen. Da entgaste Produkte chemisch stabiler und länger haltbar sind, ist die Entgasung ein wesentlicher Verarbeitungsschritt, der ein zuverlässiges Verfahren erfordert.

Ultraschallentgasung: Eingeschlossene Gasblasen werden mithilfe des Ultraschallgeräts UP400St aus Öl entfernt.

Entgasung und Entlüftung mit Ultraschall

Die Entgasung und Entlüftung mit Ultraschall ist eine äußerst leistungsfähige Alternative zu herkömmlichen Verfahren zur Entgasung von Flüssigkeiten, darunter Sieden, Druckabsenkung bis zum Vakuum oder Begasung mit Inertgasen. Diese herkömmlichen Entgasungsverfahren haben häufig Nachteile wie thermischen Abbau durch Erwärmung, einen hohen Zeit- und Energieaufwand und/oder eine unzureichende Gasentfernung. Die Ultraschallentgasung beruht auf dem Wirkprinzip der akustischen Kavitation. Werden leistungsstarke Ultraschallwellen in eine Flüssigkeit eingekoppelt, wird die Flüssigkeit während der Hochdruckzyklen komprimiert und während der Niederdruckzyklen gedehnt. Während der Niederdruckzyklen entstehen winzige Vakuumblasen, sogenannte Kavitationsblasen, die über mehrere Druckzyklen hinweg wachsen. Während dieser Blasenwachstumszyklen treten die in der Flüssigkeit gelösten Gase in die Vakuumblasen ein, sodass diese sich in wachsende Gasblasen verwandeln. Darüber hinaus bewirken Mikroturbulenzen und Flüssigkeitsstrahlen eine intensive Durchmischung und einen intensiven Stofftransport. Diese durch Ultraschall erzeugten Bedingungen führen zur Koaleszenz von Gasblasen, also zur Vereinigung kleiner gelöster Gasblasen zu größeren Gasblasen. Diese steigen schnell zur Flüssigkeitsoberfläche auf, wo sie die Flüssigkeit verlassen.
Die durch Ultraschallschwingungen und Kavitation verursachten Temperaturänderungen sind auf sehr kleine lokale Bereiche begrenzt. Der Temperaturanstieg im Gesamtvolumen kann vernachlässigt werden, da er die Produktqualität nicht beeinträchtigt.

Abnahme des gelösten Sauerstoffs im Zeitverlauf bei einer Ultraschallfrequenz von 24 kHz unter Verwendung des Ultraschallgeräts UP400ST bei Amplituden von 100 %, 80 %, 60 %, 40% und 20 %.
Studie: ©Rognerud et al., 2020.

Je nach Volumen, Viskosität und Gaseinschlüssen der Flüssigkeit oder Suspension kann die Ultraschallentlüftung als Chargen- oder Inline-Prozess durchgeführt werden. Eine leistungsstarke Sonotrode strahlt akustische Kavitation in die Flüssigkeit ab, sodass diese effizient entgast wird.
Die Ultraschallentgasung kann auch eingesetzt werden, um bestehende Entgasungssysteme mit Erwärmung, Vakuum oder Begasung zu verbessern.
Die Entgasung und Entschäumung mit Ultraschall wird im industriellen Maßstab eingesetzt, um gelöste Gase aus Wasser, Ölen, Lebensmitteln und Getränken, chemischen Lösungen, Hydraulikflüssigkeiten, Kühlmitteln, Bohrspülungen, Rohöl, Emulsionen, Farben, Tinten, Klebstoffen, Lacken, Beschichtungen, Epoxidharzen, Shampoos, Reinigungsmitteln und vielen weiteren Produkten zu entfernen.

Ultraschallentgasung mit einem Durchflusszellenaufbau. Dieser Versuch wurde mit einem prototypischen Wasserkreislauf im kleinen Maßstab durchgeführt, mit einem Volumen von 0,8 gallon, einem Inertgasstrom von 0,2 sfcm/min und einer Intensität von 275 W/cm2. Dabei zeigt sich eine Verkürzung der zur Sauerstoffentfernung benötigten Zeit um etwa 70%.
Studie und Abbildung: Rubio et al. 2016

Ultraschallentgasung in einer Inline-Anlage mit dem Ultraschallgerät UIP1000hdT mit Durchflusszelle.

Ultraschallunterstützte Inertgasbegasung

Die Begasung von Flüssigkeiten mit Inertgas, auch als Inertgasspülung bezeichnet, ist ein gängiges Verfahren zur Entfernung unerwünschter Gase wie Sauerstoff und Kohlendioxid aus Flüssigkeiten. Dafür werden üblicherweise Stickstoff, Argon, Helium und andere Inertgase verwendet. Das Durchperlen einer Lösung mit einem hochreinen, typischerweise inerten Gas kann unerwünschte, meist reaktive gelöste Gase wie Sauerstoff und Kohlendioxid austreiben. Der Begasungsprozess beruht auf Stofftransport und ist für sich genommen ein recht langsames Verfahren. Um die Begasung mit Inertgasen zu intensivieren, wird die Flüssigkeit mit dem gelösten Gas häufig kräftig durchmischt und über einen langen Zeitraum mit Gas durchperlt. Die Ultraschallbehandlung intensiviert die Entgasung, indem sie den Stofftransport und damit die Inertgasbegasung erheblich verbessert. Werden leistungsstarke Ultraschallwellen in Flüssigkeiten oder Suspensionen eingekoppelt, entstehen Kavitationsblasen. Diese Kavitationsblasen zerteilen größere Spülgasblasen in kleine Blasen und verteilen sie gleichmäßig, was zu einer schnelleren und saubereren Entgasung führt. Die intensive Durchmischung und die Turbulenzen, die durch die Ultraschallbehandlung entstehen, fördern den Stofftransport zwischen Gas und Flüssigkeit und damit die schnelle Entfernung unerwünschter Gase.
Um das Begasungsverfahren zu beschleunigen und effizienter zu gestalten, wird Hochleistungsultraschall eingesetzt, der den Stofftransport zwischen Gas und Flüssigkeit sonomechanisch verbessert. Zu den durch akustische Kavitation erzeugten sonomechanischen Effekten gehören lokale Druck- und Temperaturunterschiede, Mikroturbulenzen und Durchmischung. Diese Kräfte verbessern die Entgasungsleistung, indem sie durch Blasenzerteilung, Dispergierung und die daraus resultierende Vergrößerung der Grenzfläche den diffusiven Stofftransport erhöhen. Dies führt schließlich zur schnellen Entfernung eingeschlossener Gase aus der Flüssigkeit.
Um die gewünschten Ausgasungseffekte zu erzielen, ist eine Ultraschallbehandlung mit hoher Leistung erforderlich. Wird eine Flüssigkeit in einer Zweiphasenströmung mit einem Inertgas begast, ist eine gleichgerichtete Diffusion erwünscht, um den Stofftransport und die Entfernungsrate gelöster Gase zu erhöhen. Die Nutzung der gleichgerichteten Diffusion kann schwierig sein, da eingeschlossene und gelöste Gasblasen bei niedrigeren Intensitäten dazu neigen, das Ultraschall-Kavitationsfeld zu meiden. Bei erhöhten Intensitäten (höher als 300 W/cm² bei etwa 20 kHz) meiden Gasblasen die Kavitationszone jedoch nicht mehr und werden durch sonomechanische Kräfte zerteilt. (vgl. Jagannathan et al. 2011)

Hochleistungs-Ultraschallentgasungssysteme

Hielscher Ultrasonics ist ein Hersteller mit langjähriger Erfahrung im Bereich leistungsstarker Ultraschallgeräte, die weltweit in Laboren und in der industriellen Produktion eingesetzt werden. Die Entgasung von Flüssigkeiten und Suspensionen ist eine anspruchsvolle Anwendung. Sie erfordert leistungsstarke Sonotroden, die Schwingungen mit festgelegten Amplituden in Flüssigkeiten einkoppeln können, um eingeschlossene Gasblasen und Lufteinschlüsse zu entfernen. Alle Ultraschallgeräte von Hielscher sind für den 24/7-Betrieb unter Volllast ausgelegt und gefertigt. Die verfügbaren Ultraschallprozessoren reichen von kompakten Labor-Ultraschallgeräten mit 50 Watt bis zu leistungsstarken Inline-Ultraschallsystemen mit 16.000 Watt. Eine große Auswahl an Amplitudentransformatoren, Sonotroden und Durchflusszellen ermöglicht die individuelle Konfiguration eines Ultraschallentgasungssystems entsprechend der Flüssigkeit, ihrer Viskosität und ihren Gaseinschlüssen.
Für die Entlüftung und Ausgasung flüssiger Metalle sind präzise eingestellte und konstant gehaltene Amplituden erforderlich. Hielscher Ultrasonics stellt leistungsstarke Sonotroden her, die für gezielt auf den Prozess abgestimmte Amplituden und Temperaturen spezifiziert sind. Wenn Ihre Entgasungsanwendung besondere Spezifikationen erfordert, sind kundenspezifische Ultraschallsonotroden erhältlich. Die Robustheit der Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglicht den 24/7-Betrieb bei hoher Beanspruchung und in anspruchsvollen Umgebungen.

Chargen- und Inline-Betrieb

Die Sonotroden von Hielscher zur Entgasung können für die Entgasung und Entlüftung im Chargenbetrieb sowie im kontinuierlichen Inline-Betrieb eingesetzt werden. Abhängig von Volumen, Viskosität und eingeschlossenen Gasen empfehlen wir Ihnen die am besten geeignete Ultraschallentgasungsanlage.

Sonotroden zur Entgasung beliebiger Volumina

Das Produktsortiment von Hielscher Ultrasonics deckt das gesamte Spektrum der Ultraschallprozessoren ab: von kompakten Labor-Ultraschallgeräten über Tischgeräte und Pilotanlagen bis hin zu Ultraschallprozessoren für den industriellen Großbetrieb, die ganze Lkw-Ladungen pro Stunde verarbeiten können. Dank dieses umfassenden Produktsortiments können wir Ihnen die am besten geeignete Ultraschallentgasungsanlage für Ihre Flüssigkeit, Ihre Prozesskapazität und Ihre Produktionsziele anbieten.

Präzise steuerbare Amplituden für optimale Ergebnisse

Alle Ultraschallentgasungssysteme von Hielscher lassen sich präzise steuern und sind dadurch zuverlässige Arbeitsgeräte. Die Amplitude ist einer der entscheidenden Prozessparameter, die die Effizienz und Wirksamkeit der sonomechanisch induzierten Entgasung beeinflussen. Alle Prozessoren von Hielscher Ultrasonics ermöglichen eine präzise Einstellung der Amplitude. Sonotroden und Amplitudentransformatoren sind Zubehörteile, mit denen sich die Amplitude über einen noch größeren Bereich verändern lässt. Die industriellen Ultraschallprozessoren von Hielscher können sehr hohe Amplituden erzeugen und liefern die für anspruchsvolle Anwendungen erforderliche Ultraschallintensität. Amplituden von bis zu 200µm lassen sich problemlos kontinuierlich im 24/7-Betrieb einsetzen.
Präzise Amplitudeneinstellungen und die permanente Überwachung der Ultraschallprozessparameter durch intelligente Software ermöglichen es Ihnen, die Ultraschallprozessparameter für eine möglichst wirksame Ultraschallentgasung anzupassen. Optimale Beschallung für eine hocheffiziente Gasentfernung!
Die Robustheit der Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglicht den 24/7-Betrieb bei hoher Beanspruchung und in anspruchsvollen Umgebungen. Dadurch sind die Ultraschallgeräte von Hielscher zuverlässige Arbeitsmittel, die die Anforderungen Ihres Entlüftungsprozesses erfüllen.

Höchste Qualität – entwickelt und gefertigt in Deutschland

Als Unternehmen in Familienbesitz und unter Familienführung legt Hielscher bei seinen Ultraschallprozessoren größten Wert auf höchste Qualitätsstandards. Alle Ultraschallgeräte werden an unserem Hauptsitz in Teltow bei Berlin, Deutschland, entwickelt, gefertigt und gründlich geprüft. Die Robustheit und Zuverlässigkeit der Ultraschallgeräte von Hielscher machen sie zu belastbaren Arbeitsgeräten in Ihrer Produktion. Der 24/7-Betrieb unter Volllast und in anspruchsvollen Umgebungen ist eine selbstverständliche Eigenschaft der Hochleistungsentgaser von Hielscher.