Hielscher Ultraschalltechnik

Effiziente Bioraffinerien durch Ultraschall-Prozessintensivierung


Ultraschall ist eine prozessintensivierende Technik, die in verschiedenen Prozessen in Bioraffinerien eingesetzt wird. Typische Prozesse, die erheblich von der Ultraschallbehandlung profitieren, sind Extraktion, langsame heterogene Reaktionen sowie andere Anwendungen, die intensives Mischen, Homogenisieren und Dispergieren beinhalten. Ultraschall beschleunigt Prozesse und Reaktionen und macht sie effizienter. Ergebnisse ultraschallgestützter Prozesse sind höhere Ausbeuten/Outputs und höhere Umwandlungsraten.

Was sind Bioraffinerien?

Eine Bioraffinerie ist eine Produktionsanlage, die Prozesse zur Umwandlung von Biomasse und Verarbeitungsanlagen zur Herstellung von Kraftstoffen, Energie und anderen nützlichen Produkten wie Chemikalien aus dem Biomasse-Rohstoff integriert. Typische Biomasse, die in Bioraffinerien verarbeitet wird, umfasst Rohstoffe wie landwirtschaftliche Abfälle und Nebenprodukte, die zu verschiedenen biobasierten Produkten mit Mehrwert aufbereitet werden, z.B. Lebensmittel, Futtermittel, Chemikalien, Bioenergie (Biokraftstoffe, Strom und/oder Wärme). Die Produktionsprozesse einer Bioraffinerie sollen nachhaltig und umweltfreundlich sein. Ähnlich wie konventionelle Raffinerien können Bioraffinerien mehrere Chemikalien bereitstellen, indem sie einen Ausgangsrohstoff (Biomasse) in mehrere Zwischenprodukte (Kohlenhydrate, Proteine, Triglyceride) fraktionieren, die weiter in Produkte mit Mehrwert umgewandelt werden können. Ein Hauptmerkmal von Bioraffinerien ist die Valorisierung und Recycling/Upcycling von Abfällen wie landwirtschaftlichen, städtischen und industriellen Abfällen durch die Umwandlung nutzloser Biomasse in wertvolle Materialien.

Ultraschall-Intensivierte Bioraffinerien

Durch die Integration von Ultraschall können viele Prozesse wie Extraktion, Vergärung, Aufschluss, Desintegration, Umesterung u.v.m. wesentlich effizienter durchgeführt werden. Die Prozessintensivierung durch Ultraschall in einer Bioraffinerie zielt hauptsächlich darauf ab, die Ausbeuten zu verbessern, die Prozesse zeit- und energieeffizienter zu gestalten und die Reinheit und Qualität des Endprodukts zu erhöhen. Ultraschall kann zu verschiedenen Bioraffinerieprozessen beitragen.

Ultrasonic extraction of green biomass

Ultraschallextraktion und -homogenisierung grüner Biomasse zur Freisetzung und Isolierung wertvoller Verbindungen

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Wie funktioniert die Sonikation? – Das Arbeitsprinzip des Ultraschalls

Leistungsstarke Ultraschall-KavitationBei der Hochleistungs-Ultraschallverarbeitung wird hochintensiver, niederfrequenter Ultraschall durch einen Ultraschallgenerator erzeugt und über eine Ultraschallsonde (Sonotrode in eine Flüssigkeit) übertragen. Hochleistungs-Ultraschall gilt als Ultraschall im Bereich von 16-30kHz. Die Ultraschallsonde dehnt sich z.B. bei 20kHz aus und zieht sich wieder zusammen, wodurch jeweils 20.000 Schwingungen pro Sekunde in das Medium übertragen werden. Wenn sich die Ultraschallwellen durch die Flüssigkeit ausbreiten, entstehen durch abwechselnde Hochdruck- (Kompression) / Niederdruckzyklen (Verdünnung oder Expansion) winzige Vakuumblasen oder Hohlräume, die über mehrere Druckzyklen wachsen. Während der Kompressionsphase der Flüssigkeit und der Blasen ist der Druck positiv, während die Verdünnungsphase ein Vakuum (Unterdruck) erzeugt. Während der Kompressions-/Expansionszyklen wachsen die Hohlräume in der Flüssigkeit, bis sie eine Größe erreichen, bei der sie keine Energie mehr aufnehmen können. An diesem Punkt implodieren sie heftig. Die Implosion dieser Hohlräume führt zu verschiedenen hochenergetischen Effekten, die als Phänomen der akustischen / Ultraschall-Kavitation bekannt sind. Die akustische Kavitation zeichnet sich durch vielfältige hochenergetische Effekte aus, die sowohl auf Flüssigkeiten, Fest-Flüssig-Systeme als auch Gas-Flüssig-Systeme wirken. Die energiereiche Zone oder Kavitationszone wird als sogenannte Hot-Spot-Zone bezeichnet, die in der Nähe des Ultraschallkopfes am energiereichsten ist und mit zunehmender Entfernung von der Sonotrode abnimmt. Das Bild links zeigt intensive Kavitation an einer 1kW-Ultraschallsonde in Wasser. Zu den Hauptmerkmalen der Ultraschallkavitation gehören lokal auftretende sehr hohe Temperaturen und Drücke und entsprechende Differenzen, Turbulenzen und Flüssigkeitsströmungen. Bei der Implosion von Ultraschallkavitäten in Ultraschall-Hot-Spots können Temperaturen bis 5000 Kelvin, Drücke bis 200 Atmosphären und Flüssigkeitsstrahlen mit bis zu 1000km/h gemessen werden. Diese hervorragenden energieintensiven Bedingungen tragen zu sonomechanischen und sonochemischen Effekten bei, die Biomasse und chemische Systeme auf verschiedene Weise intensivieren.
Die wichtigsten Auswirkungen der Ultarsonierung auf die Biomasse resultieren aus folgenden Effekten:

  • Hohe Scherung: Die hohen Scherkräfte des Ultraschalls zerschlagen Flüssigkeiten und Flüssigkeit-Feststoff-Systeme und erzeugen intensive Bewegung, Homogenisierung und erhöhten Stoffaustausch.
  • Stoßwirkung: Flüssigkeitsstrahlen und Strömungen, die durch Ultraschallkavitation erzeugt werden, beschleunigen Feststoffe in Flüssigkeiten, was in der Folge zu einer interpartikluären Kollision führt. Wenn Partikel mit sehr hohen Geschwindigkeiten aufeinander prallen, erodieren sie, zersplittern und werden fein gemahlen und dispergiert, oft bis hinunter zur Nano-Größe. Bei biologischem Material wie Pflanzengewebe und Bioabfall durchbrechen die Hochgeschwindigkeits-Flüssigkeitsstrahlen und die wechselnden Druckzyklen die Zellwände und setzen das intrazelluläre Material frei. Dies führt zu einer hocheffizienten Extraktion bioaktiver Verbindungen und zu einer homogenen Durchmischung der Biomasse.
  • Durchmischung: Ultraschall verursacht intensive Turbulenzen, Scherkräfte und Mikrobewegungen in der Flüssigkeit bzw. in Slurries. Dabei intensiviert die Beschallung stets den Stoffaustausch und beschleunigt dadurch Reaktionen und Prozesse.

Ultraschall-Prozessor UIP4000hdT für die Gewinnung und Verarbeitung großer Volumenströme

Hochleistungs-Ultraschall ist eine prozessintensivierende Technik, die in verschiedenen Industriezweigen angewandt wird. Ultraschall wird bei der Verarbeitung von Flüssigkeiten und Schlämmen eingesetzt, um zu mischen und zu homogenisieren, den Stoffaustausch zu fördern, Verbindungen zu extrahieren und/oder chemische Reaktionen einzuleiten.

Häufige Anwendungen von Ultraschall in Bioraffinerien sind:

  • Bioethanolproduktion
  • Extraktion von wertvollen Verbindungen aus Biomasse (z.B. Proteine, Pektine, Stärken etc.)
  • Biodieselsynthese aus verbrauchten pflanzlichen Ölen und tierischen Fetten
  • Biodiesel aus Algenöl
  • Lignocellulose-Behandlung
  • Stärke-Modifikation
Hochleistungs-Ultraschallindikator UIP4000hdT für industrielle Anwendungen

UIP4000hdT – Ultraschallsystem mit 4kW Leistung für die kontinuierliche Inline-Beschallung von Schlämmen

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Hochleistungs-Ultraschallprozessoren für Bioraffinerien

UIP4000hdT Ultraschallreaktor für die Inline-Beschallung im industriellen MaßstabHielscher Ultrasonic fertigt und vertreibt Ultraschallmischer mit hoher Scherwirkung für Hochleistungsanwendungen wie Homogenisierung, Mischen, Zellaufschluss, Zerkleinerung, Extraktion, Dispergierung, Entgasung und die Initiierung chemischer Reaktionen. Ultraschallreaktoren werden weltweit in Bioraffinerien eingesetzt, um Effizienz, Ausbeute und Umsatzrate verschiedener Prozesse zu erhöhen.
Hochleistungs-Ultraschallgeräte für Bioraffinerieprozesse sind für Tisch-, Pilot- und Industrieinstallationen leicht erhältlich. Da Ultraschallanwendungen wie Extraktion, Zerkleinerung, Auflösung, Verbesserung des Stoffübergangs, Homogenisierung und Entlüftung bereits etablierte Prozesse sind, ist der Übergang von ersten Versuchen, Optimierung auf Ihre spezifischen Prozessanforderungen und Installation eines vollindustriellen Ultraschall-Trenn- und/oder Auslaugungssystems schnell und einfach.
Hielscher Ultrasonics liefert Hochleistungs-Ultraschallgeräte in jeder Größe und Kapazität. Mit dem UIP16000 (16kW) stellt Hielscher den weltweit leistungsstärksten Ultraschallprozessor her. Sowohl der UIP16000 als auch alle anderen industriellen Ultraschallsysteme können problemlos zu Clustern mit der erforderlichen Verarbeitungskapazität zusammengestellt werden. Alle Hielscher Ultraschallgeräte sind für den 24/7/365-Betrieb unter Volllast und in anspruchsvollen Umgebungen gebaut.

Ultraschallsonotroden und Sono-Reaktoren für jedes Volumen

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

Präzise kontrollierbare Amplituden für optimale Ergebnisse

Hielscher's industrial processors of the hdT series can be comfortable and user-friendly operated via browser remote control.Alle Hielscher Ultraschallprozessoren sind präzise steuerbare und damit zuverlässige Werkzeuge in R&D und Produktion. Die Amplitude ist einer der entscheidenden Prozessparameter, welche Effizienz und Effektivität von sonochemisch und sonomechanisch induzierten Reaktionen beeinflussen. Alle Hielscher Ultrasonics‘ Prozessoren ermöglichen die präzise Einstellung der Amplitude. Sonotroden und Booster-Hörner sind Zubehörteile, die 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 Ultraschallprozessparameter über eine intelligente Software geben Ihnen die Möglichkeit, Biomasse unter den effektivsten Ultraschallbedingungen zu verarbeiten. Optimale Beschallung für effizientestes Biomasse-Upcycling!
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 Ihre Anforderungen an den Bioraffinerieprozess 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 und Zuverlässigkeit der Ultraschallgeräte von Hielscher machen sie zu einem Arbeitspferd in Ihrer Produktion. Der 24/7-Betrieb unter Volllast und in anspruchsvollen Umgebungen ist ein natürliches Merkmal der Hochleistungs-Ultraschallsonden und -reaktoren von Hielscher. Unser qualifiziertes Team steht Ihnen mit Prozesswissen, Schulungen und Support zur Seite.

In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallsysteme:

Batch-Volumen Durchfluss Empfohlenes Ultraschallgerät
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
n.a. 10 bis 100l/min UIP16000
n.a. größere Cluster aus UIP16000

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Ultrasonic high-shear homogenizers are used in lab, bench-top, pilot and industrial processing.

Hielscher Ultrasonics stellt Hochleistungs-Ultraschallhomogenisatoren für Mischanwendungen, Dispergierung, Emulgierung und Extraktion im Labor-, Pilot- und Industriemaßstab her.

Literatur / Literaturhinweise