Beschallung mit Sonotrode vs. Ultraschallbad: ein Effizienz-Vergleich
Für Beschallungsprozesse können entweder Ultraschallhomogenisatoren mit Sonotrode (Ultraschallstab, -finger, -horn) oder Ultraschallbäder eingesetzt werden. Obwohl beide Verfahren Ultraschall in das Probenmaterial eintragen, gibt es erhebliche Unterschiede in der Wirksamkeit, Effizienz und dem Leistungsvermögen der beiden Beschallungsvarianten.
Die gewünschten Wirkungen der Beschallung von Flüssigkeiten – einschließlich Homogenisierung, Dispergierung, Deagglomeration, Mahlen, Emulgierung, Extraktion, Lyse, Desintegration, Sonochemie - werden durch akustische Kavitation verursacht. Durch Einleiten von Hochleistungsultraschall in ein flüssiges Medium werden die Schallwellen in der Flüssigkeit übertragen und erzeugen abwechselnd Hochdruck- (Kompression) und Niederdruckzyklen (Verdünnung), deren Geschwindigkeit von der Frequenz abhängt. Während des Niederdruckzyklus erzeugen die hochintensiven Ultraschallwellen kleine Vakuumblasen oder Hohlräume in der Flüssigkeit. Wenn die Blasen ein Volumen erreichen, bei dem sie keine Energie mehr absorbieren können, kollabieren sie gewaltsam während eines Hochdruckzyklus. Dieses Phänomen wird als Kavitation bezeichnet. Bei der Implosion werden lokal sehr hohe Temperaturen (ca. 5.000K) und Drücke (ca. 2.000atm) erreicht. Die Implosion der Kavitationsblase führt auch zu Flüssigkeitsstrahlen mit einer Geschwindigkeit von bis zu 280m/s. (Suslick 1998)

Abb. 1: Erzeugung von stabilen und transienten Kavitationsblasen. (a) Verschiebung, (b) transiente Kavitation, (c) stabile Kavitation, (d) Druck
[adaptiert von Santos et al. 2009]
In ihrer Studie haben Moholkar et al. (2000) herausgefunden, dass die Blasen in der Zone mit der höchsten Kavitationsintensität in eine transiente Bewegung versetzt werden, während die Blasen in der Zone mit der niedrigsten Kavitationsintensität ein stabiles bzw. oszillierendes Bewegungsschema aufweisen. Die transiente Blasenimplosion, welche die lokalen Temperatur- und die Druckmaxima generiert, erzeugt die Ultraschalleffekte, welche chemische Systeme beeinflusst und sonochemische Reaktionen begünstigt.
Die Intensität eines Beschallungsprozesses ist die Funktion aus Energieeintrag und der Sonotrodenfläche. Für einen gegebenen Energieeintrag gilt: Je größer die Stirnfläche der Sonotrode, desto geringer die Ultraschallintensität.
Ultraschallwellen können mittels verschiedener Ultraschallsysteme generiert werden. Im Folgenden werden die Unterschiede zwischen einer Beschallung mit einem Ultraschallbad, einem Ultraschallstabschwinger und einem Ultraschallgerät mit Durchflusszelle aufgezeigt.
Vergleich der Kavitationsverteilung
Für Ultraschallanwendungen werden Ultraschallsonden (Sonotroden / Sonotrodenhörner) und Ultraschallbäder verwendet. „Von diesen beiden Methoden der Ultraschallbehandlung ist die Sondenbeschallung bei der Dispersion von Nanopartikeln wirksamer und leistungsfähiger als das Ultraschallbad; das Ultraschallbadgerät kann einen schwachen Ultraschall mit etwa 20-40 W/L und einer sehr ungleichmäßigen Verteilung liefern, während das Ultraschallsondengerät 20.000 W/L in die Flüssigkeit einbringen kann. Das bedeutet, dass eine Ultraschallsondenvorrichtung die Ultraschallbadvorrichtung um den Faktor 1000 übertrifft.“ (vgl. Asadi et al., 2019)
Vergleich der Hot-Spot-Verteilung durch Kavitation
Im Bereich der Ultraschallanwendungen spielen sowohl Ultraschallsonden (Sonotroden/Hörner) als auch Ultraschallbäder eine zentrale Rolle. Wenn es jedoch um die Dispersion von Nanopartikeln geht, ist die Sondenbeschallung den Ultraschallbädern deutlich überlegen. Laut Asadi et al. (2019) erzeugen Ultraschallbäder typischerweise eine schwächere Ultraschallstrahlung von etwa 20-40 W/L mit einer sehr ungleichmäßigen Verteilung. In Gegensatz dazu können Ultraschallsondengeräte erstaunliche 20 000 Watt pro Liter in die Flüssigkeit abgeben, was eine Effektivität zeigt, die die von Ultraschallbädern um den Faktor 1000 übertrifft. Dieser deutliche Unterschied unterstreicht die überlegene Fähigkeit der Sondenbeschallung, eine effiziente und gleichmäßige Dispersion von Nanopartikeln zu erreichen.
Ultraschallbäder
In einem Ultraschallbad tritt die Kavitation nicht konform und unkontrolliert verteilt in der Wanne auf. Der Beschallungseffekt ist von geringer Intensität und ungleichmäßig verteilt. Die Wiederholbarkeit und Skalierbarkeit des Prozesses ist sehr schlecht.
Die folgende Abbildung zeigt die Ergebnisse einer Folienprüfung in einer Ultraschallwanne. Dazu wird eine dünne Aluminium- oder Zinnfolie auf den Boden einer mit Wasser gefüllten Ultraschallwanne gelegt. Nach der Beschallung sind einzelne Erosionsspuren sichtbar. Diese einzelnen perforierten Stellen und Löcher in der Folie weisen auf die kavitativen Hot Spots hin. Aufgrund der geringen Energie und der ungleichmäßigen Verteilung des Ultraschalls in der Wanne treten die Erosionsspuren nur punktuell auf. Daher werden Ultraschallbäder hauptsächlich für Reinigungsanwendungen eingesetzt.

In einem Ultraschallbad oder einer Ultraschallwanne tritt die heiße Stelle der akustischen Kavitation sehr ungleichmäßig auf.
Die Abbildungen unten zeigen die ungleiche Verteilung der Kavitationszonen im Ultraschallbad. In Fig. 2 wurde ein Ultraschalltank mit einer Bodenfläche von 20×10 cm verwendet.

Abb.2 zeigt die räumliche Verteilung des Ultraschallfeldes im Ultraschallbad:
(a) unter Verwendung von 1 l Wasser im Bad und b) unter Verwendung des Gesamtvolumens von 2 l Wasser im Bad.
[Nascentes et al., 2010]
Für die in Abbildung 3 gezeigten Messungen wurde ein Ultraschallbad mit einer Bodenfläche von 12x10cm verwendet.

Abb. 3 zeigt die räumliche Verteilung des Ultraschallfeldes in einem Ultraschallbad:
(a) unter Verwendung von 1 L Wasser im Bad und (b) unter Verwendung des Gesamtvolumens von 1,3 L Wasser im Bad.
[Nascentes et al., 2001]
Beide Messungen zeigen, dass die Verteilung des Ultraschallbeschallungsfeldes in den Ultraschallwannen sehr ungleichmäßig ist. Die Untersuchung der Ultraschallbeschallung an verschiedenen Stellen im Bad zeigt deutliche räumliche Variationen der Kavitationsintensität im Ultraschallbad.
In Abbildung 4 wird die Effizienz eines Ultraschallbads und eines Ultraschallsondengeräts anhand der Entfärbung des Azofarbstoffs Methylviolett verglichen.

Abb. 4: Sonotrodenschallköpfe entfalten lokal eine sehr hohe Energieintensität im Vergleich zu der geringen Ultraschalldichte von Ultraschallwannen und -bädern.
Dhanalakshmi et al. stellten in ihrer Studie fest, dass Ultraschallgeräte des Sonden-Typs im Vergleich zu Geräten des Tank-Typs eine hohe örtlich begrenzte Intensität und damit eine größere örtlich begrenzte Wirkung haben, wie in Abbildung 4 dargestellt. Dies bedeutet eine höhere Intensität und Effizienz des Beschallungsprozesses.
Eine Ultraschallanlage, wie sie in Abbildung 4 dargestellt ist, ermöglicht die vollständige Kontrolle über die wichtigsten Parameter, wie Amplitude, Druck, Temperatur, Viskosität, Konzentration und Reaktorvolumen.

Sondensonicator UP200St mit Sonotrode S26d7D für die chargenweise Homogenisierung von Proben
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Abb. 1: Die Sonotrode überträgt Leistungsultraschall in die Flüssigkeit. Der Nebel unter der Oberfläche der Sonotrode zeigt den Bereich des Kavitations-Hotspots an.
- intensiv
- konzentriert
- präzise steuerbar
- gleichmäßige Beschallung
- reproduzierbar
- lineares Scale-up
- Batch und In-line
Die Vorteile von Sondenschalldämpfern
Ultraschallsonden oder Sonotroden sind so konzipiert, dass sie die Ultraschallenergie auf einen bestimmten Bereich konzentrieren, in der Regel auf die Spitze der Sonde. Diese fokussierte Energieübertragung ermöglicht eine präzise und effiziente Behandlung von Proben. Da die Sonde so konstruiert ist, dass ein erheblicher Teil der Ultraschallenergie auf die Probe gerichtet ist, wird die Energieübertragung im Vergleich zu Ultraschallbädern erheblich verbessert. Diese fokussierte Übertragung der Ultraschallenergie ist besonders vorteilhaft für Anwendungen, die eine präzise Steuerung der Beschallungsparameter erfordern, wie z. B. Zellaufschluss, Nanodispersion, Nanopartikelsynthese, Emulgierung und Pflanzenextraktion.
Daher bieten Sonotrodenschallgeräte gegenüber Ultraschallbädern deutliche Vorteile in Bezug auf Präzision, Kontrolle, Flexibilität, Effizienz und Skalierbarkeit, was sie zu unverzichtbaren Werkzeugen für eine Vielzahl wissenschaftlicher und industrieller Anwendungen macht.
Sondenschalldämpfer für die Verarbeitung von offenen Bechern
Bei der Beschallung von Proben mit einem Ultraschallsondengerät befindet sich die intensive Beschallungszone direkt unter der Sonotrode/Sonde. Der Beschallungsabstand ist auf einen bestimmten Bereich der Sonotrodenspitze begrenzt. (siehe Abb.1)
Ultraschallprozesse im Becherglas oder Batch kommen häufig für die Beschallung kleinerer Volumina, z.B. in Machbarkeitsstudien und für die Probenvorbereitung zum Einsatz.
Sonden-Schallköpfe mit Durchflusszelle für die Inline-Bearbeitung
Für die ausgereifte Beschallung größerer Volumina empfiehlt sich ein Ultraschallsystem mit Durchflusszelle für eine kontinuierliche Verarbeitung. Bei der kontinuierlichen Beschallung wird das Material durch einen Ultraschallreaktor gepumpt und erfährt dort eine hoch-intensive und sehr gleichmäßige Beschallung. Durch die Kontrolle der Beschallungsintensität und der Verweilzeit im Reaktor sind die Beschallungsergebnisse präzise kontrollierbar und reproduzierbar.
Die Prozessergebnisse der Beschallung von Flüssigkeiten für eine gegebene Parameterkonfiguration ist die Funktion aus der Energie und des beschallten Volumens. Die Funktion ändert sich durch ein Verändern der einzelnen Parameter. Die tatsächliche Leistungsabgabe und Intensität an der Sonotrodenfläche wird von den Parametern beeinflusst.

Die Ultraschallkavitation hängt von der Oberflächenintensität ab, welche von Amplitude (A), Druck (p), Reaktor-Volumen (VR), Temperatur (T), Viskosität (η) und anderen abhängig ist. Die Plus- und Minuszeichen zeigen jeweils den positiven bzw. negativen Einfluss des spezifischen Parameters auf die Ultraschallintensität.
Durch die präzise Kontrollierbarkeit der wichtigsten Parameter ist der Beschallungsprozess vollständig reproduzierbar ist und die erzielten Ergebnisse können linear hochskaliert werden. Verschiedene Sonotroden und Ultraschall-Durchflussreaktoren erlauben die Anpassung an spezifische Anforderungen.
Zusammenfassung: Sondensonicator vs. Ultraschallbad
Während ein Ultraschallbad nur eine schwache Beschallung mit ca. 20 Watt pro Liter und eine sehr ungleichmäßige Verteilung liefert, können Sondenschallköpfe problemlos ca. 20000 Watt pro Liter in das zu bearbeitende Medium einkoppeln. Das bedeutet, dass ein Sonotrodenschallkopf ein Ultraschallbad um den Faktor 1000 übertrifft (1000-fach höhere Energieeinkopplung pro Volumen), da die Ultraschallenergie fokussiert und gleichmäßig eingekoppelt wird. Die volle Kontrolle über die wichtigsten Beschallungsparameter gewährleistet vollständig reproduzierbare Ergebnisse und die lineare Skalierbarkeit der Prozessergebnisse.
Literatur
- Asadi, Amin; Pourfattah, Farzad; Miklós Szilágyi, Imre; Afrand, Masoud; Zyla, Gawel; Seon Ahn, Ho; Wongwises, Somchai; Minh Nguyen, Hoang; Arabkoohsar, Ahmad; Mahian, Omid (2019): Effect of sonication characteristics on stability, thermophysical properties, and heat transfer of nanofluids: A comprehensive review. Ultrasonics Sonochemistry 2019.
- Moholkar, V. S.; Sable, S. P.; Pandit, A. B. (2000): Mapping the cavitation intensity in an ultrasonic bath using the acoustic emission. In: AIChE J. 2000, Vol.46/ No.4, 684-694.
- Nascentes, C. C.; Korn, M.; Sousa, C. S.; Arruda, M. A. Z. (2001): Use of Ultrasonic Baths for Analytical Applications: A New Approach for Optimisation Conditions. In: J. Braz. Chem. Soc. 2001, Vol.12/ No.1, 57-63.
- Santos, H. M.; Lodeiro, C., Capelo-Martinez, J.-L. (2009): The Power of Ultrasound. In: Ultrasound in Chemistry: Analytical Application. (ed. by J.-L. Capelo-Martinez). Wiley-VCH: Weinheim, 2009. 1-16.
- Suslick, K. S. (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; 4th Ed. J. Wiley & Sons: New York, 1998, Vol. 26, 517-541.
Häufig gestellte Fragen zu Ultraschallsonden (FAQs)
Was ist ein Stab-Ultraschallgerät?
Ein Stab-Ultraschallgerät ist ein Gerät, das Hochfrequenz-Schallwellen zum Aufbrechen oder Mischen von Proben verwendet. Er besteht aus einer Sonde, die beim Eintauchen in eine Flüssigkeit Ultraschallschwingungen erzeugt, die zu Kavitation und den gewünschten Effekten bei der Probenverarbeitung führen.
Was ist das Prinzip der Sonotrodenbeschallung?
Die Sonotrodenbeschallung funktioniert nach dem Prinzip der Ultraschallkavitation. Wenn die Sonotrode in der Probe vibriert, entstehen mikroskopisch kleine Blasen, die sich schnell ausdehnen und wieder zusammenfallen. Dieser Prozess erzeugt starke Scherkräfte und Wärme, wodurch Zellen aufgespalten oder Komponenten auf mikroskopischer Ebene vermischt werden.
Ist ein Ultraschallreiniger dasselbe wie ein Sonikator?
Nein, sie sind nicht dasselbe. Ein Ultraschallreiniger verwendet sehr milde Ultraschallwellen in einem Bad zur Reinigung von Gegenständen, hauptsächlich durch Vibration und sehr geringe Kavitation. Ein Sonikator, insbesondere ein Stab-Sonikator, ist für die direkte, intensive Ultraschallbehandlung von Proben konzipiert, wobei der Schwerpunkt auf der Aufspaltung oder Homogenisierung liegt.
Wozu dient eine Ultraschallsonotrode?
Eine Ultraschallsonotrode wird in erster Linie für Probenvorbereitungsaufgaben wie Zellaufschluss, Homogenisierung, Emulgierung und Dispersion von Partikeln in einer Vielzahl von Forschungs- und Industrieanwendungen in den Bereichen Chemie, Biologie und Materialwissenschaft eingesetzt.
Was ist der Unterschied zwischen Sonikator und Cup-Horn?
Bei einem Sonikator wird die Sonotrode direkt in die Probe eingetaucht, um eine intensive Beschallung zu erzielen. Ein Cup-Horn hingegen taucht die Sonotrode nicht ein, sondern verwendet eine indirekte Methode, bei der die Probe in einen Behälter in einem Wasserbad gelegt wird, das die Ultraschallenergie überträgt.
Warum einen Sonikator verwenden?
Ein Sonikator wird aufgrund seiner Fähigkeit eingesetzt, direkte Ultraschallenergie mit hoher Intensität an eine Probe abzugeben, um ein effizientes Aufbrechen, Homogenisieren oder Emulgieren zu erreichen. Er ist besonders wertvoll für schwer zu verarbeitende Proben oder wenn eine präzise Steuerung des Prozesses erforderlich ist.
Was sind die Vorteile eines Sonikators?
Die Vorteile liegen in der effizienten und schnellen Probenverarbeitung, der Vielseitigkeit der Anwendungen, der präzisen Steuerung der Beschallungsparameter und der Möglichkeit, eine Vielzahl von Probengrößen und -typen zu verarbeiten, von kleinvolumigen Laborproben bis hin zu größeren industriellen Chargen oder Durchflussmengen.
Wie verwendet man einen Ultraschallhomognisator?
Bei der Verwendung eines Ultraschallhomognisator müssen die geeignete Sonotrodengröße und die Beschallungsparameter ausgewählt, die Sonotrodenspitze in die Probe eingetaucht und dann der Sonikator für die gewünschte Zeit- und Leistungseinstellung aktiviert werden, um eine effektive Probenverarbeitung zu erreichen.
Was ist der Unterschied zwischen Beschallung und Ultraschall?
Unter Beschallung versteht man allgemein die Verwendung von Schallwellen zur Bearbeitung von Materialien, die eine Reihe von Frequenzen umfassen kann. Die Beschallung mit Ultraschall bezeichnet die Verwendung von Ultraschallfrequenzen (in der Regel über 20 kHz) und konzentriert sich auf Anwendungen, die energiereiche Schallwellen für die Bearbeitung von Proben erfordern. Die meisten Menschen beziehen sich jedoch auf Ultraschallgeräte, wenn sie das Wort Sonikator verwenden.