Ultraschall: Anwendungen und Prozesse

Die Ultraschallbehandlung ist ein mechanisches Verfahren, bei dem äußerst intensive akustische Kavitation und damit verbundene physikalische Kräfte wie hohe Scherkräfte und hohe Druckunterschiede erzeugt werden. Diese durch Ultraschall erzeugten Kräfte werden für zahlreiche Anwendungen wie Mischen, Homogenisieren, Mahlen, Dispergieren, Emulgieren, Extraktion sowie für sonochemische Reaktionen genutzt.
Nachfolgend finden Sie eine Auswahl der häufigsten Ultraschallanwendungen und -verfahren.

Ultraschall-Homogenisierung

UP400St Ultraschall-Homogenisator 400 Watt für die Beschallung von Bechergläsern und Batchgefäßen.Ultraschallhomogenisatoren zerkleinern Partikel in einer Flüssigkeit, um die Gleichmäßigkeit und Stabilität der Dispersion zu verbessern. Die Partikel (disperse Phase) können Feststoffe oder Flüssigkeitströpfchen sein, welche in einer flüssigen Phase suspendiert sind. Die Ultraschallhomogenisierung ist sehr effizient bei der Zerkleinerung von weichen und harten Partikeln. Hielscher fertigt Ultraschallgeräte für die Homogenisierung beliebiger Flüssigkeitsvolumina. Hielscher Ultraschallhomogenisatoren können sowohl für die Batch- als auch für die Inline-Verarbeitung eingesetzt werden. Labor-Ultraschallgeräte können für Volumina von 1,5mL bis ca. 4L eingesetzt werden. Ultraschall-Industriegeräte können Chargen von 0,5 bis ca. 2000L oder Durchflussmengen von 0,1L bis 20 Kubikmeter pro Stunde in der Prozessentwicklung und der kommerziellen Produktion verarbeiten.
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Dispergieren und Desagglomerieren mit Ultraschall

Bei der Ultraschallbehandlung werden feste Partikel durch akustische Kavitation aufgespalten.Das Dispergieren und Desagglomerieren von Feststoffen in Flüssigkeiten ist eine wichtige Anwendung von Ultraschallhomogenisatoren. Die ultraschall-erzeugte akustische Kavitation generiert hohe Scherkräfte, welche Partikelagglomerate in einzel-dispergierte Partikel aufbrechen. Das Mischen von Pulvern in Flüssigkeiten ist ein gängiger Schritt bei der Herstellung verschiedener Produkte wie Farben, Lacken, Kosmetika, Lebensmitteln und Getränken oder Poliermitteln. Die einzelnen Partikel werden durch Anziehungskräfte verschiedener physikalischer und chemischer Natur zusammengehalten, darunter die van-der-Waals-Kräfte und die Oberflächenspannung von Flüssigkeiten. Die Ultraschallbehandlung überwindet diese Anziehungskräfte, um die Partikel in flüssigen Medien zu desagglomerieren und zu dispergieren. Für das Dispergieren und Deagglomerieren von Pulvern in Flüssigkeiten ist die Hochintensitäts-Ultraschalltechnik eine interessante Alternative zu Hochdruckhomogenisatoren, Hochschermischern, Perlmühlen oder Rotor-Stator-Mischern.
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Das Video demonstriert die Ultraschalldispersion der roten Farbe unter Verwendung des UP400St mit einem S24d 22mm Prüfkopf.

Ultraschall-Dispersion von roter Farbe mit dem UP400St

Ultraschall-Emulgierung

Die Ultraschallbehandlung ist eine hochwirksame Methode zur Herstellung von Nanoemulsionen.Eine Vielzahl von Zwischen- und Endprodukten wie Kosmetika und Hautlotionen, pharmazeutische Salben, Lacke, Farben und Schmiermittel sowie Kraftstoffe basieren teilweise oder gänzlich auf Emulsionen. Emulsionen sind Dispersionen aus zwei oder mehr nicht-mischbaren flüssigen Phasen. Hochintensiver Ultraschall erzeugt solch starke Scherkräfte, um die flüssige Phase (dispergierte Phase) in kleinen Tröpfchen in einer zweiten Phase (kontinuierliche Phase) zu dispergieren. In der Dispergierzone verursachen implodierende Kavitationsblasen intensive Stoßwellen in der umgebenden Flüssigkeit und führen zur Bildung von Flüssigkeitsstrahlen mit hoher Flüssigkeitsgeschwindigkeit (hohe Scherung). Die Ultraschallbehandlung kann genau an die angestrebte Emulsionsgröße angepasst werden und ermöglicht so die zuverlässige Herstellung von Mikro- und Nanoemulsionen.
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Ultraschall-Homogenisator UIP1000hdT zum Mischen, Dispergieren, Emulgieren und Extrahieren.

Der UIP1000hdT ist ein 1000-Watt-Ultraschallgerät für das effiziente Homogenisieren, Mahlen und Extrahieren.

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Ultraschall-Nassmahlen und Homogenisieren

Die Vermahlung mittels Ultraschall ist ein effizientes Mittel für die Nassmahlung und Mikro-/Nano-Zerkleinerung von Partikeln. Insbesondere bei der Herstellung von sehr feinen Slurries hat der Ultraschall zahlreiche Vorteile und ist dadurch den herkömmlichen Vermahlungsmethoden wie Kolloidmühlen (z. B. Kugelmühlen, Perlmühlen), Scheibenmühlen oder Strahlmühlen überlegen. Durch die Ultraschallzerkleinerung können hochkonzentrierte und hochviskose Schlämme verarbeitet werden, wodurch sich das zu verarbeitende Volumen verringert. Natürlich eignet sich die Ultraschallzerkleinerung auch für die Verarbeitung von Materialien in Mikron- und Nanogröße, wie Keramik, Pigmente, Bariumsulfat, Kalziumkarbonat oder Metalloxide. Vor allem bei Nanomaterialien ist die Ultraschallbearbeitung besonders leistungsfähig, da die hochwirksamen Scherkräfte gleichmäßig kleine Nanopartikel erzeugen.
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Titandioxid- (TiO2) Partikel nach dem Ultraschallmahlen weisen einen drastisch reduzierten Durchmesser und eine engbandige Größenverteilung auf.

Sprühgetrocknetes TiO2: vor und nach dem Ultraschallmahlen

Zellaufschluss und Lyse mit Ultraschall

Ultraschall-gestützte Extraktion von bioaktiven Substanzen aus Kräutern mit einem Ultraschallprozessor UP200SDie Ultraschallbehandlung kann faseriges, zellulosehaltiges Material in feine Partikel auflösen und die Wände der Zellstruktur aufbrechen. Dadurch wird mehr von dem intrazellulären Material, wie Stärke oder Zucker, in die Flüssigkeit freigesetzt. Dieser Effekt kann für Fermentation, Gärung und andere Umwandlungsprozesse von organischem Material genutzt werden. Nach dem Mahlen und Zerkleinern macht die Ultraschallbehandlung mehr des intrazellulären Materials, z. B. Stärke, sowie der Zellwandtrümmer für die Enzyme verfügbar, die Stärke in Zucker umwandeln. Außerdem wird die Oberfläche vergrößert, die den Enzymen während der Verflüssigung oder Verzuckerung zur Verfügung steht. Dies erhöht typischerweise die Geschwindigkeit und Ausbeute der Hefegärung und anderer Umwandlungsprozesse, z. B. zur Steigerung der Ethanolproduktion aus Biomasse.
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Ultraschall-Extraktion von Pflanzenstoffen

Die Extraktion von bioaktiven Verbindungen, welche in Zellen und subzellulären Partikeln gespeichert sind, ist eine weit verbreitete Anwendung von hochintensivem Ultraschall. Die Ultraschallextraktion wird zur Isolierung von Sekundärmetaboliten (z. B. Polyphenole), Polysacchariden, Proteinen, ätherischen Ölen und anderen Wirkstoffen aus der Zellmatrix von Pflanzen und Pilzen eingesetzt. Die Ultraschallextraktion eignet sich für die Wasser- und Lösungsmittelextraktion organischer Verbindungen und verbessert die Ausbeute der in Pflanzen oder Samen enthaltenen Pflanzenstoffe erheblich. Die Ultraschallextraktion wird für die Herstellung von Arzneimitteln, Nutraceuticals/Nahrungsergänzungsmitteln, Duftstoffen und biologischen Zusatzstoffen eingesetzt. Ultraschall ist eine grüne Extraktionstechnik, die auch für die Extraktion bioaktiver Komponenten in Bioraffinerien eingesetzt wird, z.B. zur Freisetzung wertvoller Verbindungen aus nicht verwerteten Nebenproduktströmen, die in industriellen Prozessen entstehen. Die Ultraschallextraktion ist eine hochwirksame Technologie für die Extraktion von Pflanzen im Labor- und Produktionsmaßstab.
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Die botanische Extraktion mit Ultraschall bringt höhere Ausbeuten. Der Hielscher UIP2000hdT, 2000 Watt Homogenisator ist leistungsfähig genug, um Chargen von 10 bis 120 Litern leicht zu extrahieren.

Ultraschall-Extraktion von pflanzlichen Stoffen - 30 Liter / 8 Gallonen Batch

Es ist bekannt, dass eine Beschallung mit Hochleistungs-Ultraschall Umesterungsreaktionen verbessert und dadurch z.B. höhere Methylester- und Polyol-Ausbeuten erreicht werden. Hielscher Ultrasonics stellt industrielle Ultraschall-Sonotroden und -Reaktoren für hohe Durchsätze her.

Ultraschallreaktor mit 16.000 Watt für die ultraschall-gestützte Verarbeitung von Flüssigkeiten.

Sonochemische Anwendung des Ultraschalls

kavitation_2_p0200Die Sonochemie ist die Anwendung von Ultraschall auf chemische Reaktionen und Prozesse. Der Mechanismus, der sonochemische Effekte in Flüssigkeiten verursacht, ist das Phänomen der akustischen Kavitation. Zu den sonochemischen Effekten auf chemische Reaktionen und Prozesse gehören die Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit oder der Umwandlungsrate, eine effizientere Energienutzung, die Leistungsverbesserung von Phasentransferkatalysatoren, die Aktivierung von Metallen und Feststoffen oder die Erhöhung der Reaktivität von Reagenzien oder Katalysatoren.
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Ultraschall-Umesterung von Öl zu Biodiesel

Die Beschallung erhöht die chemische Reaktionsgeschwindigkeit und die Ausbeute bei der Umesterung von Pflanzenölen und tierischen Fetten zu Biodiesel. Dies ermöglicht die Umstellung der Produktion vom Chargenverfahren auf ein kontinuierliches Durchflussverfahren und senkt die Investitions- und Betriebskosten. Einer der Hauptvorteile der ultraschall-gestützten Biodieselherstellung ist die Verwendung von Altölen wie Altspeisefetten und anderen minderwertigen Ölen als Rohstoff. Die Ultraschallumesterung kann selbst minderwertiges Ausgangsmaterial in hochwertigen Biodiesel (Fettsäuremethylester / FAME) umwandeln. Die Herstellung von Biodiesel aus pflanzlichen Ölen oder tierischen Fetten beinhaltet die basenkatalysierte Umesterung von Fettsäuren mit Methanol oder Ethanol, um die entsprechenden Methylester oder Ethylester zu erhalten. Mit Hilfe von Ultraschall kann eine Biodieselausbeute von über 99 % erreicht werden. Durch Ultraschall werden die Reaktionszeit der Umesterung und die Separationszeit der Phasentrennung erheblich verkürzt.
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Entgasung und Entlüftung von Flüssigkeiten mit Ultraschall

Die Entgasung von Flüssigkeiten ist eine weitere wichtige Anwendung der Ultraschallstabschwinger. Ultraschalloszillation und Kavitation bewirken die Koaleszenz von gelösten Gasblasen in einer Flüssigkeit. Wenn die winzigen Gasblasen zusammenfließen, bilden sie größere Blasen, die schnell an die Oberfläche der Flüssigkeit aufsteigen und von dort entfernt werden können. Auf diese Weise kann die Ultraschallentgasung und -entlüftung den Gehalt an gelösten Gasen unter den natürlichen Gleichgewichtswert senken.
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Dieses Video zeigt die effiziente Entgasung von zähflüssigem Öl (40 cP). Durch die Ultraschallbehandlung werden kleine schwebende Gasbläschen aus der Flüssigkeit entfernt und der Gehalt an gelöstem Gas unter den natürlichen Gleichgewichtswert gesenkt.

Ultraschall-gestützte Inline-Entgasung & Entschäumung von Öl (40cP)

Ultraschallreinigung von Draht, Kabel und Bändern

KabelrolleDie Ultraschallreinigung ist eine umweltfreundliche Alternative für die Reinigung von Endlosmaterialien wie Drähten und Kabeln, Bändern oder Rohren. Durch die Wirkung der leistungsstarken Ultraschallkavitation werden Schmiermittelrückstände wie Öle oder Fette, Seifen, Stearate oder Staub von der Materialoberfläche entfernt. Hielscher Ultrasonics bietet verschiedene Ultraschallsysteme für die Inline-Reinigung von Endlosprofilen an.
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Wirkprinzip und Anwendung von Hochleistungs-Ultraschall

Ultraschall ist eine kommerzielle Verarbeitungstechnologie, die von zahlreichen Industriezweigen für die Produktion im industriellen Maßstab übernommen wurde. Hohe Zuverlässigkeit und Skalierbarkeit sowie geringe Wartungskosten und hohe Energieeffizienz machen Ultraschallprozessoren zu einer guten Alternative für herkömmliche Flüssigkeitsverarbeitungsanlagen. Ultraschall bietet zudem vorteilhafte Möglichkeiten: Kavitation - der grundlegende Effekt des Hochleistungs-Ultraschalls - führt zu einzigartigen Ergebnissen in biologischen, chemischen und physikalischen Prozessen. So lassen sich beispielsweise durch Dispergieren und Emulgieren mit Ultraschall problemlos stabile Formulierungen in Nanogröße herstellen. Und auf dem Gebiet der Pflanzenextraktion hat sich Ultraschall als eine nicht-thermische Technik zur Isolierung bioaktiver Verbindungen bewährt.

Während Ultraschall mit niedriger Intensität bzw. hoher Frequenz hauptsächlich für die Analyse, zerstörungsfreie Prüfung und als bildgebendes Verfahren eingesetzt wird, wird niederfrequenter Hochleistungs-Ultraschall für die Verarbeitung von Flüssigkeiten, Slurries und Pasten verwendet. Hierbei werden hoch-intensive Ultraschallwellen zum Mischen, Emulgieren, Dispergieren und Desagglomerieren, für den Zellaufschluss oder zur Deaktivierung von Enzymen eingesetzt werden. Bei der Beschallung von Flüssigkeiten mit hohen Intensitäten breiten sich die Schallwellen durch das flüssige Medium aus. Dies führt zu abwechselnden Hochdruck- (Kompression) und Niederdruckzyklen (Rarefaktion), wobei die Wechselgeschwindigkeit 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 heftig 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. Bei der Implosion der Kavitationsblase entstehen außerdem Flüssigkeitsstrahlen mit einer Geschwindigkeit von bis zu 280 Metern pro Sekunde.

Ultraschallkavitation in Flüssigkeiten kann eine schnelle und vollständige Entgasung bewirken; verschiedene chemische Reaktionen durch die Erzeugung freier chemischer Ionen (Radikale) in Gang setzen; chemische Reaktionen beschleunigen, indem die Vermischung der Reaktanten erleichtert wird; Polymerisations- und Depolymerisationsreaktionen verbessern, indem Aggregate dispergiert oder chemische Bindungen in Polymerketten dauerhaft aufgebrochen werden; die Emulgierraten erhöhen; die Diffusionsraten verbessern; hochkonzentrierte Emulsionen oder gleichmäßige Dispersionen von Materialien in Mikron- oder Nanogröße herstellen; die Extraktion von Substanzen wie Enzymen aus Tier-, Pflanzen-, Hefe- oder Bakterienzellen unterstützen; Viren aus infiziertem Gewebe entfernen; und schließlich anfällige Partikel, einschließlich Mikroorganismen, erodieren und abbauen. (vgl. Kuldiloke 2002)

Ultraschall mit hoher Intensität erzeugt in Flüssigkeiten mit niedriger Viskosität heftige Turbulenzen, die zur Dispersion von Stoffen in Flüssigkeiten genutzt werden können. (vgl. Ensminger, 1988) An Flüssigkeits/Feststoff- oder Gas/Feststoff-Grenzflächen kann die asymmetrische Implosion von Kavitationsblasen extreme Turbulenzen verursachen, welche die Diffusionsgrenzschicht verringern, den Konvektionsstofftransport erhöhen und die Diffusion in Systemen, in denen eine normale Durchmischung nicht möglich ist, erheblich beschleunigen. (vgl. Nyborg, 1965)

Ultraschallreaktor für chemische Synthesereaktionen, z.B. die Umesterung, Veresterung oder Acetylierung.

Ultraschallreaktor mit 4x 2000-Watt-Sonotroden (8 kW) für sonochemische Prozesse.



Literatur


Hochleistungs-Ultraschall! Die Produktpalette von Hielscher deckt das gesamte Spektrum vom kompakten Labor-Ultraschallgerät über Bench-top-Homogenisatoren bis hin zu vollindustriellen Ultraschallsystemen ab.

Hielscher Ultrasonics fertigt Hochleistungs-Ultraschall-Homogenisatoren vom Labor bis zum voll-kommerziellen Industriemaßstab.