Mano-Thermo-Sonikation: Synergien bei der Ultraschallverarbeitung
Die Ultraschallbehandlung ist ein nichtthermisches Verarbeitungsverfahren, das für zahlreiche Anwendungen wie Homogenisierung, Emulgierung, Dispergierung, Extraktion und Konservierung in der Lebensmittelindustrie, Pharmazie, Biologie, Chemie und Materialwissenschaft eingesetzt wird. Der alleinige Einsatz von Ultraschall ist eine sehr effiziente Verarbeitungsmethode und erfüllt Verarbeitungsaufgaben wirksam innerhalb einer kurzen Behandlungszeit – insbesondere im Vergleich zu alternativen Verfahren. Bei der Kombination mit Druck und/oder Wärme können Synergien zwischen diesen Behandlungsformen den Ultraschallprozess intensivieren. Erfahren Sie mehr über Mano-Sonikation und Mano-Thermo-Sonikation und entdecken Sie, wie diese Verarbeitungsverfahren Ihre Produktion verbessern können!
Ultraschallbehandlung als nichtthermisches Verarbeitungsverfahren
Die Ultraschallbehandlung mit einer Sonotrode ist ein nichtthermisches Verarbeitungsverfahren, das hauptsächlich in lebensmitteltechnologischen, pharmazeutischen und biologischen Anwendungen eingesetzt wird. Zu den typischen Anwendungen von Ultraschallgeräten gehören Homogenisierung, Mischen, Emulgierung, Extraktion bioaktiver Verbindungen und Verkapselung von Wirkstoffen. Anders als herkömmliche thermische Verfahren, die zur Verarbeitung auf Wärme angewiesen sind, erzeugt die Ultraschallbehandlung mit einer Sonotrode mechanische Wellen, um verschiedene Wirkungen zu erzielen. Bei der Ultraschallbehandlung entstehen im Medium akustische bzw. ultraschallinduzierte Kavitationsblasen. Ultraschallkavitation erzeugt starke Kräfte, die Partikel, Tröpfchen und Zellstrukturen aufbrechen, eine intensive Durchmischung bewirken und dadurch vielfältige Prozesse wie homogenes Mischen, Pflanzenextraktion oder liposomale Verkapselung unterstützen.
Der geschlossene Batchreaktor aus Edelstahl ist mit dem Ultraschallgerät UIP2000hdT (2kW, 20kHz) ausgestattet.
Synergieeffekte bei der Ultraschallverarbeitung
Thermo-Sonikation, Mano-Sonikation und Mano-Thermo-Sonikation sind Verfahren, die Ultraschallwellen für verschiedene Anwendungen nutzen, insbesondere in der Lebensmittelindustrie, Pharmazie und bei biologischen Prozessen.
Sowohl Mano-Sonikation als auch Thermo-Mano-Sonikation verdeutlichen die Synergieeffekte von Ultraschallwellen und Temperatur in verschiedenen Prozessen und bieten effiziente und selektive Möglichkeiten für Anwendungen in Lebensmitteln, Arzneimitteln und biologischen Systemen.
Thermo-Sonikation
Definition: Thermo-Sonikation bezeichnet ein Verfahren, das thermische Effekte und Ultraschalleffekte für verschiedene Anwendungen kombiniert, insbesondere in der Materialwissenschaft und Chemie. Mano-Sonikation umfasst die gleichzeitige Einwirkung von Ultraschallwellen und Wärme auf eine Substanz oder ein Material. Eine typische Anwendung ist die Pasteurisierung flüssiger Lebensmittel wie Milch, Flüssigei oder Getränke. Während die Pasteurisierung allein durch Wärme sehr hohe Temperaturen erfordert, ermöglicht die Kombination von Ultraschall und Wärme den Einsatz niedrigerer Temperaturen, wodurch Nährstoffe und Aromen erhalten bleiben.
Mano-Sonikation
Definition: Mano-Sonikation umfasst die gleichzeitige Einwirkung von Ultraschallwellen und Druck auf ein Medium.
Ultraschallwellen erzeugen akustische Kavitation, die durch die Bildung von Mikroblasen, Stoßwellen und Flüssigkeitsströmungen gekennzeichnet ist. Die Kombination von Ultraschall und Druck verstärkt die aufbrechenden Wirkungen der Kavitation und erleichtert Prozesse wie die Deagglomeration von Partikeln, den Zellaufschluss, die Emulgierung und die Extraktion.
Mano-Thermo-Sonikation
Definition: Mano-Thermo-Sonikation (MTS) oder Thermo-Mano-Sonikation ist eine Technologie, die die Wirkungen von Druck, Wärme und Leistungsultraschall effizient kombiniert. Durch die Kombination der Vorteile von Ultraschallbehandlung und thermischer Behandlung unter erhöhtem Druck ist die Mano-Thermo-Sonikation ein hocheffizientes Verarbeitungsverfahren, das insbesondere in der Lebensmittelindustrie, Pharmazie und Materialwissenschaft eingesetzt wird. Diese Kombination physikalischer Kräfte intensiviert Prozesse erheblich und erzielt einzigartige Ergebnisse.
Unter erhöhtem Druck wird das Zerplatzen der Kavitationsblasen drastisch heftiger und intensiver.
Das kontrollierte Erwärmen während der Ultraschallbehandlung ermöglicht eine wirksame Verarbeitung, ohne einen erheblichen thermischen Abbau zu verursachen. Die Wärmezufuhr lässt sich so einstellen, dass ein geeignetes Temperaturniveau erreicht wird, das dem Prozess zugutekommt und die behandelten Substanzen und Materialien nicht zerstört.
Maßstabsvergrößerung der Mano-Thermo-Sonikation: vom Laborgerät UIP1000hdT (A) zur Pilotanlage UIP4000hdT (B, C und D). Abbildung D zeigt schematisch einen Querschnitt der Ultraschall-Durchflusszelle FC100K.
Abbildung und Studie: ©Vernès et al. 2019
Wirkmechanismus: Leistungsultraschall und akustische Kavitation für die nichtthermische Verarbeitung
Ultraschallinduzierte Kavitation umfasst die Entstehung, das Wachstum und den Kollaps mikroskopisch kleiner Blasen in der Flüssigkeit. Beim Kollaps setzen diese Blasen Energie in Form von Stoßwellen und Mikrostrahlen frei. Diese mechanische Energie wird für Prozesse wie Zellaufschluss, Emulgierung und Partikelzerkleinerung genutzt, ohne auf erhöhte Temperaturen angewiesen zu sein.
Bei Lebensmitteln, Arzneimitteln und biologischen Materialien bietet die Ultraschallbehandlung mit einer Sonotrode mehrere Vorteile, darunter kürzere Verarbeitungszeiten, den Erhalt wärmeempfindlicher Verbindungen und eine minimale Schädigung empfindlicher Strukturen. Der nichtthermische Charakter dieses Verfahrens trägt dazu bei, die Integrität bioaktiver Verbindungen, Enzyme und anderer empfindlicher Bestandteile in diesen Anwendungen zu erhalten, was für die Herstellung von Arzneimitteln, Lebensmitteln und Nahrungsergänzungsmitteln wesentlich ist.
Hochleistungs-Ultraschallgeräte zur Prozessintensivierung
Hielscher Ultrasonics entwickelt, fertigt und liefert Ultraschallgeräte mit Sonotrode für die nichtthermische Flüssigkeitsverarbeitung sowie für Mano-Sonikation, Thermo-Sonikation und Thermo-Mano-Sonikation. Das umfangreiche Produktportfolio von Hielscher Ultrasonics bietet den optimalen Ultraschallprozessor für Ihre Anwendung. Ob Sie kleine Probengefäße oder Laborbecher beschallen müssen, im Pilotmaßstab arbeiten möchten oder kontinuierlich große Volumenströme in der Produktion verarbeiten wollen – Hielscher hat das ideale Ultraschallgerät für Ihre Verarbeitungsanforderungen!
Druckbeaufschlagbare Reaktoren und Durchflusszellen, die mit Heiz- oder Kühlmänteln ausgestattet sind, ermöglichen die unkomplizierte Nutzung von Synergien zwischen Leistungsultraschall, Druck und/oder Wärme.
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Ultraschallgerät UIP6000hdT mit Sonotrode mit druckbeaufschlagbarer Durchflusszelle. Ein Heiz-/Kühlmantel ermöglicht die Ultraschallbehandlung bei erhöhten oder abgesenkten Temperaturen.
Entwicklung, Fertigung und Beratung – Qualität Made in Germany
Die Ultraschallgeräte von Hielscher sind für höchste Qualitäts- und Konstruktionsstandards bekannt. Robustheit und einfache Bedienung ermöglichen die reibungslose Integration unserer Ultraschallgeräte in industrielle Anlagen. Raue Bedingungen und anspruchsvolle Umgebungen sind für die Ultraschallgeräte von Hielscher kein Problem.
Hielscher Ultrasonics ist ein ISO-zertifiziertes Unternehmen und legt besonderen Wert auf leistungsstarke Ultraschallgeräte mit modernster Technologie und hoher Benutzerfreundlichkeit. Selbstverständlich sind die Ultraschallgeräte von Hielscher CE-konform und erfüllen die Anforderungen von UL, CSA und RoHs.
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Literatur / Quellen
- A. Meullemiestre, C. Breil, M. Abert-Vian, F. Chemat (2017): Manothermosonication as a useful tool for lipid extraction from oleaginous microorganisms. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 37, 2017. 216-221.
- 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 fertigt leistungsstarke Ultraschallhomogenisatoren für Mischanwendungen, Dispergierung, Emulgierung und Extraktion im Labor-, Pilot- und Industriemaßstab.
Hielscher Ultrasonics fertigt leistungsstarke Ultraschallhomogenisatoren vom Labormaßstab bis zum Industriemaßstab.