Effiziente Bioraffinerien durch Ultraschall-Prozessintensivierung

Die Ultraschallbehandlung ist eine prozessintensivierende Technik, die in verschiedenen Prozessen in Bioraffinerien eingesetzt wird. Typische Prozesse, die erheblich von der Ultraschallbehandlung profitieren, sind die Extraktion, langsame heterogene Reaktionen sowie andere Anwendungen, die intensives Mischen, Homogenisieren und Dispergieren beinhalten. Die Ultraschallbehandlung beschleunigt Prozesse und Reaktionen und macht sie effizienter. Das Ergebnis ultraschallgeförderter Prozesse sind höhere Ausbeuten/Ausgänge und höhere Umsatzraten.

Was sind Bioraffinerien?

Eine Bioraffinerie ist eine Produktionsanlage, die Prozesse zur Umwandlung von Biomasse und Verarbeitungsanlagen integriert, um aus dem Biomasserohstoff Kraftstoffe, Energie und andere nützliche Produkte wie Chemikalien herzustellen. Typische Biomasse, die in Bioraffinerien verarbeitet wird, sind Rohstoffe wie landwirtschaftliche Abfälle und Nebenprodukte, die in verschiedene biobasierte Produkte mit hohem Mehrwert umgewandelt werden, z. B. in Lebensmittel, Futtermittel, Chemikalien und Bioenergie (Biokraftstoffe, Strom und/oder Wärme). Die Produktionsprozesse einer Bioraffinerie sollen nachhaltig und umweltfreundlich sein. Ähnlich wie herkömmliche Raffinerien können Bioraffinerien mehrere Chemikalien bereitstellen, indem sie einen Ausgangsrohstoff (Biomasse) in mehrere Zwischenprodukte (Kohlenhydrate, Proteine, Triglyceride) aufspalten, die dann in Produkte mit Mehrwert umgewandelt werden können. Ein Hauptmerkmal von Bioraffinerien ist die Valorisierung und das Recycling/Upcycling von Abfällen wie landwirtschaftlichen, städtischen und industriellen Abfällen durch die Umwandlung von unbrauchbarer Biomasse in wertvolle Materialien.

Mit Ultraschall intensivierte Bioraffinerien

Durch die Integration von Ultraschall können viele Prozesse wie Extraktion, Aufschluss, Desintegration, Umesterung und viele andere wesentlich effizienter durchgeführt werden. Die Intensivierung von Ultraschallprozessen in einer Bioraffinerie zielt vor allem darauf ab, die Ausbeute zu erhöhen, die Prozesse zeit- und energieeffizienter zu gestalten und die Reinheit und Qualität des Endprodukts zu verbessern. Die Ultraschallbehandlung kann zu verschiedenen Bioraffinerieprozessen beitragen.

Wie funktioniert die Sonikation? – Das Funktionsprinzip des Ultraschalls

Bei der Hochleistungs-Ultraschallbearbeitung wird hochintensiver, niederfrequenter Ultraschall von einem Ultraschallgenerator erzeugt und über eine Ultraschallsonde (Sonotrode) in eine Flüssigkeit übertragen. Als Hochleistungs-Ultraschall wird Ultraschall im Bereich von 16-30kHz bezeichnet. Die Ultraschallsonde dehnt sich aus und zieht sich zusammen, z. B. bei 20 kHz, und überträgt dabei jeweils 20 000 Schwingungen pro Sekunde in das Medium. Wenn sich die Ultraschallwellen durch die Flüssigkeit bewegen, entstehen durch abwechselnde Hochdruck- (Kompression) und Niederdruckzyklen (Verdünnung oder Expansion) winzige Vakuumblasen oder Hohlräume, die über mehrere Druckzyklen wachsen. Während der Kompressionsphase der Flüssigkeit und der Blasen herrscht ein positiver Druck, während die Verdünnungsphase ein Vakuum (Unterdruck) erzeugt. Während der Kompressions-Expansions-Zyklen wachsen die Hohlräume in der Flüssigkeit, bis sie eine Größe erreichen, bei der sie keine Energie mehr aufnehmen können. An diesem Punkt implodieren sie gewaltsam. Die Implosion dieser Hohlräume führt zu verschiedenen hochenergetischen Effekten, die als das Phänomen der akustischen / Ultraschallkavitation bekannt sind. Die akustische Kavitation zeichnet sich durch vielfältige hochenergetische Effekte aus, die auf Flüssigkeiten, Fest-Flüssig-Systeme sowie Gas-Flüssig-Systeme einwirken. Die energiedichte Zone oder Kavitationszone wird als sogenannte Hot-Spot-Zone bezeichnet, die in unmittelbarer Nähe der Ultraschallsonde 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 Differentiale, Turbulenzen und Flüssigkeitsströmungen. Bei der Implosion von Ultraschallkavitäten in Ultraschall-Hotspots können Temperaturen von bis zu 5000 Kelvin, Drücke von bis zu 200 Atmosphären und Flüssigkeitsstrahlen mit bis zu 1000km/h gemessen werden. Diese außergewöhnlichen energieintensiven Bedingungen tragen zu sonomechanischen und sonochemischen Effekten bei, die Biomasse und chemische Systeme auf verschiedene Weise verstärken.
Die Hauptauswirkungen der Ultarsonik auf die Biomasse ergeben sich aus den folgenden Effekten:

• Hohe Scherung: Die hohen Scherkräfte des Ultraschalls zerschlagen Flüssigkeiten und Flüssigkeit-Feststoff-Systeme und erzeugen intensive Bewegung, Homogenisierung und erhöhten Stoffaustausch.
• Stoßwirkung: Durch Ultraschallkavitation erzeugte Flüssigkeitsstrahlen und -ströme beschleunigen Feststoffe in Flüssigkeiten, was in der Folge zu Kollisionen zwischen den Partikeln führt. Wenn Partikel mit sehr hohen Geschwindigkeiten zusammenstoßen, erodieren sie, zerbrechen und werden fein zermahlen und dispergiert, oft bis in den Nanobereich. Bei biologischem Material wie Pflanzengewebe und Bioabfall werden durch die Hochgeschwindigkeits-Flüssigkeitsstrahlen und die wechselnden Druckzyklen die Zellwände aufgebrochen und das intrazelluläre Material freigesetzt. 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.

Hochleistungs-Ultraschallprozessoren für Bioraffinerien

Hielscher Ultrasonic fertigt und vertreibt Ultraschallmischer mit hoher Scherkraft für Hochleistungsanwendungen wie Homogenisierung, Mischen, Zellaufschluss, Desintegration, Extraktion, Dispergierung, Entgasung und Auslösung chemischer Reaktionen. Ultraschallreaktoren werden weltweit in Bioraffinerien eingesetzt, um die Effizienz, die Ausbeute und die Umwandlungsrate verschiedener Prozesse zu erhöhen.
Hochleistungs-Ultraschallgeräte für Bioraffinerie-Prozesse sind für Tisch-, Pilot- und industrielle Installationen verfügbar. Da Ultraschallanwendungen wie Extraktion, Desintegration, Auflösen, Verbesserung des Stoffaustauschs, Homogenisierung und Entlüftung bereits etablierte Prozesse sind, ist der Übergang von ersten Versuchen über die Optimierung auf Ihre spezifischen Prozessanforderungen bis hin zur Installation eines vollindustriellen Ultraschalltrenn- und/oder Auslaugsystems 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

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, 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 Ultraschallprozessparameter über eine intelligente Software ermöglichen es Ihnen, Biomasse unter den effektivsten Ultraschallbedingungen zu verarbeiten. Optimale Beschallung für effizientestes Upcycling von Biomasse!
Die Robustheit der Hielscher-Ultraschallgeräte ermöglicht einen 24/7-Betrieb bei hoher Belastung und in anspruchsvollen Umgebungen. Das macht die Ultraschallgeräte von Hielscher zu einem zuverlässigen Arbeitsinstrument, das die Anforderungen Ihres Bioraffinerieprozesses erfüllt.

Höchste Qualität – entwickelt und hergestellt in Deutschland

Als familiengeführtes Unternehmen setzt Hielscher bei seinen Ultraschallprozessoren auf höchste Qualitätsstandards. Alle Ultraschallgeräte werden in unserem Stammhaus in Teltow bei Berlin entwickelt, gefertigt und auf Herz und Nieren geprüft. Die Robustheit und Zuverlässigkeit der Hielscher Ultraschallgeräte machen sie zu einem Arbeitspferd in Ihrer Produktion. 24/7-Betrieb unter Volllast und in anspruchsvollen Umgebungen ist eine selbstverständliche Eigenschaft der Hochleistungs-Ultraschallsonden und -reaktoren von Hielscher. Unser kompetentes Team steht Ihnen mit Prozesswissen, Schulungen und Support zur Seite.

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