Ultraschallhomogenisatoren
Ultraschall-Homogenisatoren sind leistungsstarke Werkzeuge zum Mischen und Homogenisieren von Fest-Flüssig- und Flüssig-Flüssig-Suspensionen. Die Ultraschall-Homogenisierung ist ein mechanisches Verfahren, um Partikel in einer Flüssigkeit zu zerkleinern und zu verteilen, so dass eine gleichmäßige, homogene Suspension entsteht. Hielscher Ultrasonics bietet leistungsstarke Ultraschall-Homogenisatoren für den Einsatz in Labor und Industrie.
Anwendungen und Effekte von Ultraschallhomogenisatoren
Ultraschallhomogenisatoren sind leistungsstarke und zuverlässige Mischer, die in Labor und Industrie für zahlreiche Anwendungen eingesetzt werden.
Ein Ultraschallhomogenisator kann für verschiedene Anwendungen eingesetzt werden, z. B:
- Homogenisierung: Mit Ultraschallhomogenisatoren können Proben homogenisiert werden, um einheitliche und konsistente Suspensionen zu erzeugen.
- Dispersion: Mit Ultraschallhomogenisatoren lassen sich Feststoff-Partikel in Flüssigkeiten dispergieren, um stabile Suspensionen zu erzeugen. Die Ultraschallbehandlung ist außerordentlich effizient bei der Herstellung von Nanodispersionen.
- Emulgierung: Ultraschallhomogenisatoren können zur Herstellung stabiler Emulsionen und Nanoemulsionen verwendet werden, indem sie die Tropfen in nicht-mischbaren Flüssigkeiten wie Öl und Wasser aufbrechen und fein dispergieren.
- Zellaufschluss: Ultraschallhomogenisatoren können Zellen aufbrechen, um intrazelluläre Komponenten wie Proteine, Nukleinsäuren, Enzyme und Metaboliten zu extrahieren.
- Entgasung: Ultraschallhomogenisatoren können zur Entfernung gelöster Gase aus Flüssigkeiten eingesetzt werden, z. B. zur Entgasung von HPLC-Lösungsmitteln, Kühlflüssigkeiten oder Lacken.
- Ultraschall-gestützte chemische Reaktionen: Ultraschallhomogenisatoren werden für ultraschall-gestützte chemische Reaktionen eingesetzt werden, z. B. für die sonochemische Synthese, Katalyse oder Zersetzung.
Daher sind Ultraschallhomogenisatoren ein vielseitiges Werkzeug, das für eine breite Palette von Anwendungen in Forschung, Entwicklung und industriellen Prozessen eingesetzt werden kann.
Ultraschall-Homogenisator UIP1000hdT für F&D und Produktion
Power-Ultraschall zur Partikelgrößenreduzierung: Wenn Ultraschall-Homogenisatoren für Anwendungen wie Mischen, Dispergieren und Emulgieren eingesetzt werden, besteht das Ziel darin, kleine Partikel oder Tröpfchen in einer Flüssigkeit oder Slurries zu reduzieren, um die Einheitlichkeit und Stabilität der Mischung zu verbessern. Diese Partikel (disperse Phase) können entweder Feststoffe oder Flüssigkeiten sein. Eine Verringerung des mittleren Partikeldurchmessers erhöht die Anzahl der einzelnen Partikel. Dies führt zu einer Verringerung des durchschnittlichen Partikelabstands und vergrößert die Partikeloberfläche. Die Grafik zeigt die Korrelation zwischen dem Durchmesser der einzelnen Partikel und der Gesamtoberfläche. Oberfläche und mittlerer Partikelabstand können die Rheologie einer Flüssigkeit beeinflussen.
Besteht ein Unterschied im spezifischen Gewicht zwischen den Partikeln und der Flüssigkeit, kann die Homogenität der Suspension deren Stabilität beeinflussen. Wenn die Partikelgröße für die Mehrheit der Partikel ähnlich ist, nimmt die Tendenz zur Agglomeration beim Absetzen oder Aufsteigen der Partikel ab, da die ähnlich großen Partikel eine ähnliche Geschwindigkeit beim Aufsteigen oder Absetzen aufweisen.
Ultraschalldispersionen weisen eine gleichmäßige Partikelgrößenverteilung mit homogen verteilten Partikeln auf. Die Kurven zeigen die Partikelverteilung von Silica vor dem Ultraschall (grüne Kurve) und nach der Ultraschalldispergierung (rote Kurve).
Ultraschallhomogenisatoren vs Hochdruckhomogenisatoren
Der häufigste Mechanismus für die Homogenisierung in der industrie ist die Hochdruckhomogenisierung. Dort wird die Flüssigkeit mit hohem Druck (ca. 2000 barg) durch ein Homogenisierventil gedrückt. Beim Passieren des Ventils durchläuft die Flüssigkeit einen kurzen (ca. 50 Mikrosekunden andauernden) Hochdruck-Niederdruckzyklus.
Während dieser Mechanismus für kleine, weiche Partikel, wie z.B. Fettkügelchen in Milch, gute Ergebnisse erzielt, erreicht die Hochdruckhomogenisierung er seineihre Grenzen, wenn sie für Dispersionen von harten und abrasiven Materialien (z.B. Pigmente, Poliermedien oder Metalloxide) oder für faserige Materialien (z.B. Fruchtpürees, Algen oder Schlamm) eingesetzt wird. Dies liegt an den hohen Flüssigkeitsgeschwindigkeiten (bis zu 120mtr/sec) und an den kleinen Öffnungen der verwendeten Ventile. Wenn das abrasive Material die Pumpen und die Ventilöffnung passiert, verursacht es Verschleiß. Dies reduziert den Wirkungsgrad und die Lebensdauer der Pumpe und des Ventils.
Vorteile der Ultraschall-Homogenisatoren
- Ultraschallhomogenisatoren erzeugen kleine Partikel/Tropfen und eine enge Verteilungskurve.
- Ultraschall-Homogenisierer können hohe Feststoffkonzentrationen verarbeiten.
- Ultraschall-Homogenisatoren erzeugen stabiles Suspensionen, Dispersionen und Emulsionen.
- Ultraschall-Homogenisatoren sind präzise steuerbar, da die wichtigen Prozessparameter (z.B. Amplitude, Leistung, Zeit, Temperatur und Druck) kontrolliert und eingestellt werden können.
- Ultraschall-Homogenisatoren sind sehr effektiv, energieeffizient, benutzerfreundlich und betriebssicher.
Ultraschall-Homogenisatoren für Heavy-Duty Anwendungen
Nassmahlen, Zerkleinern und Mischen sind typische Anwendungen, bei denen Ultraschallprozessoren als zuverlässige Homogenisatoren eingesetzt werden. Ultraschallhomogenisatoren sind äußerst effizient bei der Zerkleinerung von weichen sowie harten Partikeln. Im Gegensatz zu vielen anderen Homogenisierungstechnologien können Ultraschallhomogenisatoren auch sehr harte, abrasive sowie faserige Materialien verarbeiten.
Das Funktionsprinzip der Ultraschallhomogenisierung beruht auf Kavitation. Wenn Flüssigkeiten einer intensiven Beschallung ausgesetzt werden, breiten sich die Schallwellen durch die Flüssigkeit aus und erzeugen abwechselnd Hoch- und Niederdruckzyklen (ca. 20000 Zyklen/Sek.). Während des Niederdruckzyklus werden in der Flüssigkeit kleine Vakuumblasen mit hoher Intensität erzeugt, da der Dampfdruck der Flüssigkeit erreicht wird.
Wenn die Blasen eine bestimmte Größe erreichen, implodieren sie während eines Hochdruckzyklus und erzeugen dabei in den sogenannten Hot-Spots ein hochenergetisches Feld. Während dieser Implosion werden lokal sehr hohe Drücke und Hochgeschwindigkeits-Flüssigkeitsstrahlen erzeugt. Die daraus resultierenden Ströme und Turbulenzen zerschlagen Partikelagglomerate und führen zu heftigen Kollisionen zwischen einzelnen Partikeln.
Ein großer Vorteil von Ultraschall-Homogenisatoren ist die geringe Anzahl von flüssigkeitsbenetzten und beweglichen Teilen. Dies reduziert den Reibungsverschleiß und die Reinigungszeit. Es gibt nur zwei benetzte Teile: Die Sonotrode und die Durchflusszelle. Beide haben einfache Geometrien und keine kleinen oder versteckten Öffnungen.
Ein weiterer Vorteil der Ultraschallhomogenisatoren ist die genaue Kontrolle über die Betriebsparameter, welche die Kavitation beeinflussen. Hielscher Ultraschall-Homogenisatoren können bei Schwingungsamplituden von ca. 1 bis 200 Mikron eingesetzt werden. Der Flüssigkeitsdruck kann zwischen 0 bis ca. 500psig eingestellt werden. Da Amplitude und Druck die wichtigsten Parameter sind, ermöglicht der große Parameterbereich je nach Einstellung eine sehr schonende bis sehr zerstörerische Verarbeitung.
Hielscher Ultraschall-Homogenisatoren sind amplitudengesteuert. Dadurch wird die eingestellte Amplitude unter allen Betriebsbedingungen beibehalten. Dies macht die Ultraschalltechnik genau kontrollierbar und reproduzierbar. Die Beschallung unter identischen Prozessparametern führt zu konsistenten und reproduzierbaren Ergebnissen. Dies ist wichtig für die Qualität des produzierten Materials und für die Skalierung der Prozessergebnisse vom Labor auf die Produktionsebene.
Ultraschall-Homogenisatoren für jede Größenordnung
Hielscher produziert Ultraschall-Homogenisatoren für die Homogenisierung beliebiger Probenvolumina für die Batch- oder Inline-Verarbeitung. Labor-Ultraschallhomogenisatoren können für Volumina von 1,5mL bis ca. 5L eingesetzt werden. Ultraschall-Industriehomogenisatoren werden für die Prozessentwicklung und Produktion von Chargen von 0,5 bis ca. 2000L oder Durchflussmengen von 0,1L bis 20m³ pro Stunde eingesetzt.
Design, Herstellung und Beratung – Qualität Made in Germany
Hielscher Ultraschallgeräte sind bekannt für höchste Qualität und Designstandards. Robustheit und einfache Bedienung ermöglichen die problemlose Integration unserer Ultraschallgeräte in industrielle Anlagen. Raue Bedingungen und anspruchsvolle Umgebungen sind für Hielscher Ultraschallgeräte kein Problem.
Hielscher Ultrasonics ist ein ISO-zertifiziertes Unternehmen und legt großen Wert darauf, Hochleistungs-Ultraschallgeräte zu entwickeln und zu produzieren, die sich durch modernste Technik und Benutzerfreundlichkeit auszeichnen. Selbstverständlich sind Hielscher Ultraschallgeräte CE-konform und erfüllen die Anforderungen von UL, CSA und RoHs.
| Batch-Volumen | Durchfluss | Empfohlenes Ultraschallgerät |
|---|---|---|
| 0,5 bis 1,5 ml | n.a. | VialTweeter |
| 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 |
| 15 bis 150 Liter | 3 bis 15 l/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 bis 100l/min | UIP16000 |
| n.a. | größere | Cluster aus UIP16000 |
Ultraschallhomogenisatoren für High Performance-Anwendungen
Hielscher Ultraschall-Homogenisatoren sind eine zuverlässige, leistungsstarke Methode zum Mischen und Homogenisieren. Ultraschall-Laborhomogenisatoren sind kompakt und ein zuverlässiges Werkzeug für das effiziente und schnelle Dispergieren und Emulgieren von kleinen und mittelgroßen Proben. Hielscher's industriellen Ultraschall-Homogenisatoren sind hochperformant und übertreffen traditionelle Homogenisierungstechniken wie Hochdruck-Homogenisierer oder Perlmühlen. Hielscher Industriehomogenisatoren können sehr große Amplituden liefern und sind damit besonders leistungsstark beim Mischen, Dispergieren und Mahlen. Amplituden von bis zu 200µm können problemlos im kontinuierlichen 24/7-Betrieb betrieben werden. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschallsonotroden erhältlich. Die Robustheit der Hielscher Ultraschallgeräte ermöglicht einen 24/7-Betrieb bei hoher Beanspruchung und in anspruchsvollen Umgebungen.
Unsere Kunden sind zufrieden mit der herausragenden Robustheit und Zuverlässigkeit von Hielscher Ultrasonics‘ Homogenisatoren. Die Installation der robusten Ultraschallhomogenisatoren in Bereichen mit hoher Beanspruchung, anspruchsvollen Umgebungen und 24/7-Betrieb ermöglicht einen reibungslose, effiziente und wirtschaftliche Verarbeitung. Die Intensivierung des Ultraschallprozesses verkürzt die Verarbeitungszeit und erzielt bessere Ergebnisse, d.h. höhere Qualität, höhere Ausbeuten und innovative Produkte.
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Ultraschall-Homogenisatoren für Lyse & Zellaufschluss
Neben der Herstellung von Dispersionen und Emulsionen haben sich Ultraschall- Homogenisatoren in der Biotechnologie, der Zell- und Molekularbiologie sowie im Bereich Life Science für die Zelllyse und -fraktionierung, für die Extraktion intrazellulärer Verbindungen sowie die Scherung von DNA, RNA und Chromatin fest etabliert. Für die Probenvorbereitung von winzigen Volumina (0,1mL) bis hin zu sehr großen Volumina für industrielle Prozesse (z.B. Extraktion von bioaktiven Substanzen zur Herstellung von Nahrungsergänzungmitteln) stehen leistungsstarke Ultraschall- Homogenisatoren im Labor- und Industriemaßstab zur Verfügung.
Um Zellen oder Gewebe mit einem Ultraschall-Homogenisator aufzuschließen, wird eine isotonische Pufferlösung verwendet, um osmotische Schäden zu stoppen. Hielscher Ultraschall-Homogenisierer verfügen über einen Temperatursensor und eine Temperaturkontrolle, die es ermöglichen, die Proben in einem genau kontrollierten Temperaturbereich zu halten.
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Literatur / Literaturhinweise
- Seyed Mohammad Mohsen Modarres-Gheisari, Roghayeh Gavagsaz-Ghoachani, Massoud Malaki, Pedram Safarpour, Majid Zandi (2019): Ultrasonic nano-emulsification – A review. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 52, 2019. 88-105.
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- Brad W. Zeiger; Kenneth S. Suslick (2011): Sonofragmentation of Molecular Crystals. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 37, 14530–14533.
- Suslick, Kenneth S.; Hyeon, Taeghwan; Fang, Mingming; Cichowlas, Andrzej A. (1995): Sonochemical synthesis of nanostructured catalysts. Materials Science and Engineering: A. Proceedings of the Symposium on Engineering of Nanostructured Materials. ScienceDirect 204 (1–2): 186–192.
- Adam K. Budniak, Niall A. Killilea, Szymon J. Zelewski, Mykhailo Sytnyk, Yaron Kauffmann, Yaron Amouyal, Robert Kudrawiec, Wolfgang Heiss, Efrat Lifshitz (2020): Exfoliated CrPS4 with Promising Photoconductivity. Small Vol.16, Issue1. January 9, 2020.
7 Ultraschall-Homogenisatoren UIP1000hdT (7x 1kW Ultraschallleistung) als Cluster installiert
Wissenswertes
Anwendungen von Ultraschall-Homogenisatoren
Das Anwendungsfeld, in dem Ultraschallhomogenisatoren erfolgreich eingesetzt werden, umfasst vielfältige Prozesse in verschiedenen Branchen. Zu den wichtigsten Anwendungen von Ultraschallgeräten gehören die Herstellung von Suspensionen, Dispersionen und Emulsionen, die Nassmahlung von Mikron- und Nanopartikeln, das Lösen von Pulvern und Tabletten, die Herstellung von Extrakten aus Pflanzenstoffen, die Zelllyse, die Extraktion und anschließende Scherung der DNA, RNA und Chromatin, die Proteinextraktion, die Verkapselung von APIs in Liposomen sowie sonochemische Reaktionen, bei denen leistungsstarke Ultraschallwellen eingesetzt werden, um Reaktionen einzuleiten und zu beschleunigen (Sonokatalyse, Sonosynthese), den Stoffaustausch zu erhöhen und Reaktionswege gezielt zu beeinflussen und zu wechseln.
Hielscher Ultrasonics fertigt Hochleistungs-Ultraschall-Homogenisatoren vom Labor bis zum voll-kommerziellen Industriemaßstab.