Mano-Thermo-Beschallung: Synergien in der Ultraschallbearbeitung
Die Beschallung ist eine nicht-thermische Verarbeitungstechnik, die für zahlreiche Anwendungen wie Homogenisierung, Emulgierung, Dispergierung, Extraktion und Konservierung in den Bereichen Lebensmittel, Pharma, Biologie, Chemie und Materialwissenschaft eingesetzt wird. Die Verwendung von Ultraschall allein ist eine sehr effiziente Verarbeitungsmethode und erledigt Verarbeitungsaufgaben effektiv in einer kurzen Behandlung – insbesondere im Vergleich zu alternativen Techniken. In Kombination mit Druck und/oder Wärme können die Synergien zwischen diesen Behandlungsformen den Beschallungsprozess intensivieren. Erfahren Sie mehr über Mano-Sonication und Mano-Thermo-Sonication und entdecken Sie, wie diese Verfahren Ihre Produktion verbessern können!
Sonikation als nicht-thermische Verarbeitungstechnik
Die Sondenbeschallung ist eine nicht-thermische Verarbeitungsmethode, die vor allem in der Lebensmittel-, Pharma- und Biologieindustrie eingesetzt wird. Zu den typischen Anwendungen von Sonicators gehören Homogenisierung, Mischen, Emulgieren, Extraktion bioaktiver Verbindungen und Verkapselung von Wirkstoffen. Im Gegensatz zu den herkömmlichen thermischen Verfahren, bei denen Wärme zur Verarbeitung eingesetzt wird, werden bei der Sonotrodenbeschallung mechanische Wellen erzeugt, um verschiedene Effekte zu erzielen. Bei der Beschallungsmethode werden im Medium akustische oder Ultraschall-Kavitationsblasen erzeugt. Die Ultraschallkavitation erzeugt intensive Kräfte, die Partikel, Tröpfchen und zelluläre Strukturen aufbrechen, für eine intensive Durchmischung sorgen und so vielfältige Prozesse wie homogenes Mischen, Pflanzenextraktion oder liposomale Verkapselung unterstützen.
Der geschlossene Batch-Reaktor aus rostfreiem Stahl ist mit mit dem Ultraschallgerät UIP2000hdT (2kW, 20kHz).
Synergieeffekte bei der Ultraschallbearbeitung
Thermo-Sonication, Mano-Sonication und Mano-Thermo-Sonication sind Verfahrenstechniken, die Ultraschallwellen für verschiedene Anwendungen nutzen, insbesondere in den Bereichen Lebensmittel, Pharmazeutika und biologische Prozesse.
Sowohl die Mano-Sonication als auch die Thermo-Mano-Sonication heben die synergetischen Effekte von Ultraschallwellen und Temperatur in verschiedenen Prozessen hervor und bieten effiziente und selektive Möglichkeiten für Anwendungen in den Bereichen Lebensmittel, Pharmazeutika und biologische Systeme.
Thermo-Beschallung
Definition: Thermosonication bezeichnet ein Verfahren, bei dem Wärme- und Ultraschalleffekte für verschiedene Anwendungen kombiniert werden, insbesondere im Bereich der Materialwissenschaft und Chemie. Mano-Sonication bedeutet die gleichzeitige Anwendung von Ultraschallwellen und Wärme auf eine Substanz oder ein Material. Eine typische Anwendung ist die Pasteurisierung von flüssigen Lebensmitteln wie Milch, Flüssigeiern oder Getränken. Während die Pasteurisierung durch Hitze allein sehr hohe Temperaturen erfordert, ermöglicht die Kombination von Ultraschall und Hitze den Einsatz niedrigerer Temperaturen, wodurch Nährstoffe und Aromen erhalten bleiben.
Mano-Beschallung
Definition: Bei der Mano-Sonication wird ein Medium gleichzeitig mit Ultraschallwellen und Druck beaufschlagt.
Ultraschallwellen induzieren akustische Kavitation, die durch die Bildung von Mikroblasen, Schockwellen und Flüssigkeitsströmungen gekennzeichnet ist. Die Kombination von Ultraschall und Druck verstärkt die zerstörerische Wirkung der Kavitation und erleichtert Prozesse wie die Deagglomeration von Partikeln, das Aufbrechen von Zellen, die Emulgierung und die Extraktion.
Mano-Thermo-Sonication
Definition: Mano-Thermo-Sonication (MTS) oder Thermo-Mano-Sonication oder ist eine Technologie, die die Wirkungen von Druck, Wärme und Leistungsultraschall effizient kombiniert. Durch die Kombination der Vorteile von Ultraschall und thermischer Behandlung unter erhöhtem Druck ist die Mano-Thermo-Sonication eine hocheffiziente Verarbeitungstechnik, die vor allem in der Lebensmittel-, Pharma- und Materialwissenschaft eingesetzt wird. Diese Kombination physikalischer Kräfte intensiviert die Prozesse erheblich und führt zu einzigartigen Ergebnissen.
Bei erhöhtem Druck wird das Zerplatzen der Kavitationsblasen drastisch heftiger und intensiver.
Die kontrollierte Erwärmung während der Beschallung ermöglicht eine wirksame Verarbeitung, ohne dass es zu einer signifikanten thermischen Schädigung kommt. Die Wärme kann auf ein geeignetes Temperaturniveau eingestellt werden, das für den Prozess vorteilhaft und für die behandelten Stoffe und Materialien nicht zerstörerisch ist.
Maßstabsvergrößerung der Mano-Thermo-Beschallung: von der Laboranlage UIP1000hdT (A) zur Pilotanlage UIP4000hdT (B, C) & D). In Bild D ist ein Querschnitt durch die Ultraschall-Durchflusszelle FC100K schematisch dargestellt.
Bild und Studie: ©Vernès et al. 2019
Arbeitsmechanismen: Leistungsultraschall und akustische Kavitation für die nichtthermische Bearbeitung
Bei der durch Ultraschall erzeugten Kavitation entstehen, wachsen und kollabieren mikroskopisch kleine Blasen in der Flüssigkeit. Wenn diese Blasen kollabieren, setzen sie Energie in Form von Stoßwellen und Mikrostrahlen frei. Diese mechanische Energie wird für Prozesse wie Zellaufschluss, Emulgierung und Partikelzerkleinerung genutzt, ohne dass dafür hohe Temperaturen erforderlich sind.
Im Zusammenhang mit Lebensmitteln, Arzneimitteln und biologischen Materialien bietet die Sondenbeschallung mehrere Vorteile, wie z. B. eine kürzere Verarbeitungszeit, die Erhaltung hitzeempfindlicher Verbindungen und die minimale Beschädigung empfindlicher Strukturen. Die nicht-thermische Natur dieser Technik trägt dazu bei, die Integrität bioaktiver Verbindungen, Enzyme und anderer empfindlicher Komponenten in diesen Anwendungen zu erhalten, was bei der Herstellung von Arzneimitteln, Lebensmitteln und Nahrungsergänzungsmitteln unerlässlich ist.
Hochleistungssonicatoren für die Prozessintensivierung
Hielscher Ultrasonics entwickelt, fertigt und liefert Sonotrodenschallköpfe für die nicht-thermische Flüssigkeitsbehandlung sowie für die Mano-, Thermo- und Thermo-Mano-Beschallung. Das umfangreiche Produktportfolio von Hielscher Ultrasonics bietet den optimalen Ultraschallprozessor für Ihre Anwendung. Ob Sie kleine Fläschchen oder Laborbecher beschallen müssen, im Pilotmaßstab arbeiten wollen oder kontinuierlich große Volumenströme herstellen, Hielscher hat den idealen Beschaller für Ihre Prozessanforderungen!
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Sonotroden-Schallkopf UIP6000hdT mit druckbeaufschlagbarer Durchflusszelle. Ein Heiz-/Kühlmantel ermöglicht die Beschallung bei erhöhter oder abgesenkter Temperatur.
Design, Herstellung und Beratung – Qualität Made in Germany
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Literatur / Literaturhinweise
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- Chemat, F., Rombaut, N., Sicaire, A. G., Meullemiestre, A., Fabiano-Tixier, A. S., & Abert-Vian, M. (2017): Ultrasound assisted extraction of food and natural products. Mechanisms, techniques, combinations, protocols and applications. A review. Ultrasonics Sonochemistry, 34, 2017. 540-560.
- Bermúdez-Aguirre, D., Mobbs, T., Barbosa-Cánovas, G.V. (2011): Ultrasound Applications in Food Processing. In: Feng, H., Barbosa-Canovas, G., Weiss, J. (eds) Ultrasound Technologies for Food and Bioprocessing. Food Engineering Series. Springer, New York, NY.
- Yusaf, T. (2015): Evaluating the effect of heat transfer on cell disruption in ultrasound processes. Annals of Microbiology 65, 2015. 1447–1456.
- Vernès, Léa; Vian, Maryline; Maâtaoui, Mohamed; Tao, Yang; Bornard, Isabelle; Chemat, Farid (2019): Application of ultrasound for green extraction of proteins from spirulina. Mechanism, optimization, modeling, and industrial prospects. Ultrasonics Sonochemistry, 54, 2017.
Hielscher Ultrasonics stellt Hochleistungs-Ultraschallhomogenisatoren für Mischanwendungen, Dispergierung, Emulgierung und Extraktion im Labor-, Pilot- und Industriemaßstab her.
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