Hocheffizientes Entgasen von Flüssigkeiten mittels Ultraschall

Das Entlüften, Entgasen bzw. Ausgasen von Flüssigkeiten ist oftmals ein äußerst zeitaufwendiger, aber wichtiger Prozessschritt. Ultraschall beschleunigt die Koaleszenz der Gasblasen und ihr Aufsteigen erheblich. Die Ultraschall-Entgasung kann sowohl im Batch- als auch im Inline-Aufbau eingesetzt werden und lässt sich auch mit konventionellen Entgasungstechniken wie dem Durchperlen mit Inertgasen, Impeller-Entgasern, Erhitzung oder Vakuum kombiniert werden, um die Effizienz und Geschwindigkeit der Gasentfernung zu erhöhen.

Gase aus Flüssigkeiten entfernen

Die Begriffe Entlüftung, Entgasung und Ausgasung beziehen sich auf die Entfernung von freien und gelösten Gasen, insbesondere von reaktiven Gasen wie Sauerstoff oder CO2, aus einer Flüssigkeit. Die Beseitigung von Sauerstoff ist wichtig, um schädliche Veränderungen des Endprodukts zu verhindern und die Weiterverarbeitung zu verbessern. Die Entgasung ist ein notwendiger Prozessschritt für viele Anwendungen und Branchen. In der industriellen Fertigung ist die Entgasung ein gängiger Prozessschritt, um Produktstabilität, Qualität und kontinuierliche Produktstandards zu gewährleisten. Sauerstoff ist ein Faktor, der die Produktqualität und -stabilität auf verschiedenen Ebenen beeinflusst.
Daher ist die Entlüftung ein etablierter Prozessschritt in der Lebensmittel- & Getränke-Herstellung sowie der chemischen, pharmazeutischen und kosmetischen Industrie. Aber auch in Laboratorien müssen Proben vor der Analyse oft entgast werden (z.B. vor HPLC, Assays, Partikelmessungen etc.).
Häufig machen Mischprozesse mit z.B. hochscherenden Schaufel- oder Drehflügelmischern eine nachträgliche Entgasung des Produktes erforderlich, da bei diesen Mischtechniken oftmals hohe Gasmengen in das Produkt eingebracht werden. Solche Gas- und Lufteinschlüsse haben in der Regel negative Auswirkungen auf das Produkt, da sie Fette und Öle ranzig machen, Produkte durch Oxidation verschlechtern, Verfärbungen und unerwünschte Geruchs- und Geschmacksveränderungen hervorrufen können. Da entgaste Produkte chemisch stabiler sind und eine längere Haltbarkeit haben, ist die Entgasung ein wesentlicher Verfahrensschritt, der eine zuverlässige Entgasungstechnik erfordert.
 

Ultraschall-Entgasung: Eingeschlossene Gasblasen werden aus dem Öl entfernt mit dem Ultraschallgerät UP400St

Ultraschall-Entgasung und -Entlüftung

Die Ultraschall-Entgasung und -Entlüftung ist eine hochwirksame Alternative zu den traditionellen Entgasungsmethoden von Flüssigkeiten, zu denen vor allem das Erhitzen, das Reduzieren des Drucks auf Vakuum oder das Durchperlen mit Inertgasen gehören. Diese traditionellen Entgasungsmethoden sind oft durch Nachteile wie thermische Zersetzung (durch lange Erhitzung), zeit- und energieaufwändige Verarbeitung und/oder unzureichende Gasentfernung gekennzeichnet. Die Ultraschallentgasung basiert auf dem Wirkprinzip der akustischen Kavitation. Wenn Hochleistungs-Ultraschallwellen in eine Flüssigkeit eingekoppelt werden, wird die Flüssigkeit während Hochdruck- bzw. Niederdruckzyklen entsprechend komprimiert bzw. gedehnt. Bei Niederdruckzyklen entstehen winzige Vakuumblasen (sogenannte Kavitationsblasen), welche über mehrere Druckzyklen heranwachsen. Während dieser Zyklen des Blasenwachstums treten die in der Flüssigkeit gelösten Gase in die Vakuumblase ein, so dass sich die Vakuumblase in eine wachsende Gasblase verwandelt. Darüber hinaus bewirken Mikroturbulenzen und Flüssigkeitsstrahlen intensive Umwälzung und Massentransfer. Diese durch Ultraschall erzeugten Bedingungen bewirken die Gasblasenkoaleszenz, d.h. die Vereinigung von kleinen gelösten Gasblasen zu größeren Gasblasen, welche schnell an die Oberfläche der Flüssigkeit aufsteigen, wo sie die Flüssigkeit verlassen.
Die durch Ultraschallschwingungen und Kavitation verursachten Temperaturveränderungen sind auf sehr kleine lokale Räume beschränkt und der Temperaturanstieg im Gesamtvolumen kann vernachlässigt werden, da er die Produktqualität nicht beeinträchtigt.
 

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

 
Je nach Volumen, Viskosität und Gaseinschlüssen in der Flüssigkeit bzw. Slurry kann die Ultraschallentlüftung als Batch- oder Inline-Prozess betrieben werden. Eine Hochleistungs-Ultraschallsonotrode erzeugt akustische Kavitation in der Flüssigkeit, so dass diese effizient entgast wird.
Die Ultraschall-Entgasung kann auch in Kombination mit bereits bestehender Entgasungsmethoden wie z.B. Erhitzung, Vakuum oder Durchperlen eingesetzt werden, um diese zu verbessern.
Die Ultraschallentgasung und -entschäumung wird im industriellen Maßstab eingesetzt, um gelöste Gase aus Wasser, Ölen, Lebensmitteln und Getränken, chemischen Lösungen, Hydraulikflüssigkeiten, Kühlmitteln, Bohrflüssigkeiten, Rohöl, Emulsionen, Farben, Tinten, Klebstoffen, Lacken, Beschichtungen, Epoxiden, Shampoos, Reinigungsmitteln und vielen anderen Produkten zu entfernen.
 

Ultraschallentgasung unter Verwendung einer Ultraschall-Durchflusszelle. Bei diesem Experiment handelte es sich um einen Prototyp einer Wasserschleife in kleinem Maßstab mit einem Volumen von 0,8 Gallonen, einem Inertgasstrom von 0,2 sfcm/min und einer Intensität von 275 W/cm2. Damit konnte ein eine Reduzierung der Sauerstoffentfernungszeit um etwa 70% erzielt werden.
Studie und Bild: Rubio et al. 2016

Ultraschall-Entgasung in einem Inline-Aufbau mit dem Ultraschallprozessor UIP1000hdT mit Durchflusszelle.

Ultraschall-intensiviertes Sparging

Das Spülen von Flüssigkeiten mit Inertgas (auch Inertgasspülung genannt) ist ein gängiges Verfahren, um unerwünschte Gase wie Sauerstoff und Kohlendioxid aus einer Flüssigkeit zu entfernen. Für Sparging-Anwendungen werden üblicherweise Stickstoff, Argon, Helium und andere Inertgase verwendet. Das Durchspülen mit einem hochreinen (typischerweise inerten) Gas kann unerwünschte, typischerweise reaktive gelöste Gase wie Sauerstoff und Kohlendioxid herausziehen. Der Sparging-Prozess beruht auf Massentransfer und ist selbst ein recht langsames Verfahren. Um das Sparging mit Inertgasen zu intensivieren, muss das Flüssigkeit-Gas-Gemisch oft stark gerührt und lange Zeit mit Sparging-Gas durchströmt werden. Ultraschall ist eine entgasungs-intensivierende Technik, die den Stoffaustausch und damit das Sparging signifikant verbessert. Wenn Hochleistungs-Ultraschallwellen in Flüssigkeiten oder Slurries eingekoppelt werden, entstehen Kavitationsblasen. Diese Kavitationsblasen zerteilen größere Sparging-Gasblasen in kleine Bläschen und dispergieren die Blasen gleichmäßig, was zu einem schnelleren und saubereren Entgasungseffekt führt. Die durch Ultraschall erzeugte intensive Bewegung und Turbulenzen fördern den Stoffaustausch zwischen Gas und Flüssigkeit und damit die schnelle Entfernung unerwünschter Gase.
Um das Durchperlungsverfahren zu beschleunigen und effizienter zu gestalten, wird Hochleistungsultraschall eingesetzt, um die Stofftransportleistung zwischen Gas und Flüssigkeit sonomechanisch zu verbessern. Zu den sonomechanischen Effekten, die durch akustische Kavitation erzeugt werden, gehören lokale Druck- und Temperaturunterschiede, Mikroturbulenzen und Agitation. Diese Kräfte verbessern die Entgasungsleistung, indem sie zu einer Erhöhung des diffusiven Massentransfers aufgrund von Blasenzerteilung, Dispersion und der anschließenden Vergrößerung der Grenzfläche beitragen, was schließlich zu einer schnellen Entfernung eingeschlossener Gase aus der Flüssigkeit führt.
Um die gewünschten Ausgasungseffekte zu erzielen, ist Hochleistungsultraschall erforderlich. Wenn eine Flüssigkeit mit einem Inertgas in einer Zweiphasenströmung verschont wird, ist eine rektifizierte Diffusion erwünscht, um den Massentransfer und die Entfernungsrate der gelösten Gase zu erhöhen. Die Anwendung der gleichgerichteten Diffusion kann schwierig sein, da eingeschlossene und gelöste Gasblasen dazu neigen, bei niedrigeren Intensitäten das Ultraschall-Kavitationsfeld zu vermeiden. Bei höheren Intensitäten (höher als 300 W/cm² bei ca. 20 kHz) vermeiden Gasblasen die Kavitationszone nicht mehr und werden durch sonomechanische Kräfte aufgebrochen. (vgl. Jagannathan et al. 2011)

Hochleistungs-Ultraschallsysteme für das Entgasen und Entlüften

Hielscher Ultrasonics ist ein langjährig erfahrener Hersteller von Hochleistungs-Ultraschallgeräten, die weltweit in Labors und in der industriellen Produktion eingesetzt werden. Die Entgasung von Flüssigkeiten und Schlämmen ist eine anspruchsvolle Anwendung, die Hochleistungs-Ultraschallsonden erfordert, die etablierte Amplituden in Flüssigkeiten einkoppeln können, um eingeschlossene Gasblasen und Lufteinschlüsse zu entfernen. Alle Hielscher-Ultraschallgeräte sind für den 24/7-Betrieb unter Volllast ausgelegt und gefertigt. Ultraschallprozessoren sind vom kompakten 50-Watt-Labor-Ultraschallgerät bis zum 16.000-Watt-starken Inline-Ultraschallsystem erhältlich. Eine große Auswahl an Boosterhörnern, Sonotroden und Durchflusszellen ermöglicht den individuellen Aufbau eines Ultraschall-Entgasungssystems in Abhängigkeit von Flüssigkeit, Viskosität und Gaseinschlüssen.
Für die Entlüftung und Ausgasung von Flüssigmetallen ist die genaue Einstellung und Beibehaltung der Amplitude erforderlich. Hielscher Ultrasonics stellt Hochleistungs-Ultraschallsonotroden her, die für prozess-optimierte Amplituden und Temperaturen spezifiziert sind. Wenn Ihre Entgasungsanwendung ungewöhnliche Spezifikationen erfordert, sind kundenspezifische Ultraschall-Sonotroden erhältlich. Die Robustheit der Ultraschallgeräte von Hielscher Ultrasonics ermöglicht einen 24/7-Betrieb bei hoher Beanspruchung und in anspruchsvollen Umgebungen.

Batch und Inline

Hielscher-Ultraschallsonotroden für die Entgasung können sowohl für die Batch- als auch für die kontinuierliche Inline-Entgasung eingesetzt werden. Je nach Volumen, Viskosität und Art der eingeschlossenen Gase empfehlen wir Ihnen den am besten geeigneten Ultraschall-Entgasungsaufbau.

Ultraschallsonotroden zur Entgasung jeglicher Volumina

Die Produktpalette von Hielscher Ultrasonics deckt das gesamte Spektrum der Ultraschallprozessoren ab, von kompakten Labor-Ultraschallgeräten über Technikums- und Pilotsysteme bis hin zu vollindustriellen Ultraschallprozessoren mit der Kapazität zur Bearbeitung von LKW-Ladungen pro Stunde. Die vollständige Produktpalette ermöglicht es uns, Ihnen das für Ihre Flüssigkeit, Prozesskapazität und Produktionsziele am besten geeignete Ultraschall-Entgasungssystem anzubieten.

Präzise kontrollierbare Amplituden für optimale Ergebnisse

Alle Hielscher Ultraschall-Entgasungssysteme sind präzise steuerbare und damit zuverlässige Arbeitsgeräte. Die Amplitude ist einer der entscheidenden Prozessparameter, welcher die Effizienz und Effektivität der sonomechanisch induzierten Entgasung beeinflusst. Alle Hielscher Ultrasonics ‘ Prozessoren ermöglichen die präzise Einstellung der Amplitude. Sonotroden und Booster-Hörner sind Zubehörteile, welche es erlauben, die Amplitude in einem noch größeren Spektrum zu verändern. Die industriellen Ultraschallprozessoren von Hielscher können sehr hohe Amplituden erzeugen und liefern die erforderliche Ultraschallintensität für anspruchsvolle Anwendungen. Amplituden von bis zu 200µm können problemlos im 24/7-Betrieb kontinuierlich betrieben werden.
Präzise Amplitudeneinstellungen und die permanente Überwachung der Ultraschall-Prozessparameter mittels intelligenter Software geben Ihnen die Möglichkeit, die Ultraschall-Prozessparameter für die effektivste Ultraschall-Entgasung einzustellen. Optimale Beschallung für hocheffiziente Ausgasung und Entlüftung Ihrer Flüssigkeit!
Die Robustheit der Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglicht einen 24/7-Betrieb bei hoher Beanspruchung und in anspruchsvollen Umgebungen. Dies macht die Ultraschallgeräte von Hielscher zu einem zuverlässigen Arbeitsgerät, das die Anforderungen Ihres Entlüftungsprozesses erfüllt.

Höchste Qualität – entwickelt und hergestellt in Deutschland

Als familiengeführtes Unternehmen setzt Hielscher bei seinen Ultraschallprozessoren auf höchste Qualitätsstandards. Alle Ultraschallgeräte werden in unserem Hauptsitz in Teltow bei Berlin konstruiert, gefertigt und gründlich getestet. Die Robustheit der Ultraschallgeräte von Hielscher machen sie zu einem zuverlässigen Arbeitsgerät in Ihrer Produktion. Der 24/7-Betrieb unter Volllast und in anspruchsvollen Umgebungen ist ein natürliches Merkmal der Hochleistungs-Entgaser von Hielscher Ultrasonics.