Ultraschall: Anwendungen und Prozesse

Ultraschall ist eine nützliche Technologie für viele Anwendungen, wie z. B. Homogenisieren, Desintegrieren, Dispergieren, Sonochemie, Entgasen oder Reinigen. Nachfolgend finden Sie typische Ultraschall-Anwendungen und -Verfahren.

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Ultraschall-Homogenisierung

UltraschallhomogenisatorUltraschall-Homogenisatoren zerkleinern Partikel in einer Flüssigkeit, um die Gleichmäßigkeit und Stabilität der Dispersion zu verbessern. Die Partikel (disperse Phase) können Feststoffe oder Flüssigkeitströpfchen sein, die in einer flüssigen Phase suspendiert sind. Das Ultraschall-Homogenisieren ist sehr effizient bei der Zerkleinerung von weichen und harten Partikeln. Hielscher produziert Ultraschallgeräte für die Homogenisierung beliebiger Flüssigkeitsmengen und für die Batch- oder Inline-Verarbeitung. 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 oder in der Produktion verarbeiten
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Dispergieren und Desagglomerieren mit Ultraschall

Ultrasonic dispersing and deagglomeration of powder particles generates single-dispersed particles.Das Dispergieren und Desagglomerieren von Feststoffen in Flüssigkeiten ist eine wichtige Anwendung von Ultraschallgeräten. Die Ultraschallkavitation erzeugt hohe Scherkräfte, die Partikelagglomerate in einzelne, vollständig dispergierte Partikel aufbrechen. Das Einmischen von Pulvern in Flüssigkeiten ist ein häufiger Schritt bei der Formulierung verschiedener Produkte, wie z. B. Farben, Shampoo, Getränke oder Poliermittel. 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 zu deagglomerieren und in flüssigen Medien zu dispergieren. Für das Dispergieren und Deagglomerieren von Pulvern in Flüssigkeiten ist die Hochintensitäts-Ultraschalltechnik eine interessante Alternative zu traditionell genutzten Hochdruckhomogenisatoren, Hochschermischern oder Rotor-Stator-Mischern.
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Ultraschall-Emulgierung

Ultrasonication is an effective means for emulsification.Eine Vielzahl von Zwischen- und Endprodukten, wie z. B. Kosmetika und Hautlotionen, pharmazeutische Salben, Lacke, Farben und Schmierstoffe sowie Kraftstoffe, basieren ganz oder teilweise auf Emulsionen. Emulsionen sind Dispersionen von zwei oder mehreren nicht mischbaren Flüssigkeiten. Hochintensiver Ultraschall liefert eine ausreichend starke Scherung, um eine 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). Durch die Beschallung kann eine mittlere Tröpfchengröße von deutlich unter 1 Mikron erreicht werden (Mikroemulsion).
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Ultraschall-Nassmahlen und Homogenisieren

ultrasonic milling of solid materialsDie Ultraschallzerkleinerung ist ein effizientes Mittel zur Nassmahlung und Mikrozerkleinerung von Partikeln. Insbesondere bei der Herstellung von Feinstsuspensionen hat Ultraschall viele Vorteile. Er ist den traditionellen Zerkleinerungsgeräten wie Kolloidmühlen (z. B. Kugelmühlen, Perlmühlen), Scheibenmühlen oder Strahlmühlen deutlich überlegen. Die Ultraschallzerkleinerung kann hochkonzentrierte und hochviskose Schlämme verarbeiten - dadurch wird das zu verarbeitende Volumen reduziert. Die Ultraschallzerkleinerung eignet sich für die Verarbeitung von Materialien in Mikro- und Nanogröße, wie z. B. Keramiken, Pigmente, Bariumsulfat, Kalziumkarbonat oder Metalloxide.
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Ultraschall-gestützer Zellaufschluss

Ultrasonically assisted extraction of compounds from herbs using an ultrasonic processor 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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Ultraschallzellenextraktion

Die Extraktion von Enzymen und Proteinen, die in Zellen und subzellulären Partikeln gespeichert sind, ist eine weit verbreitete Anwendung von hochintensivem Ultraschall. Die Lösungsmittelextraktion von organischen Verbindungen, die in Pflanzen oder Samen enthalten sind, kann deutlich verbessert werden. Ultraschall hat einen potenziellen Nutzen bei der Extraktion und Isolierung neuer, potenziell bioaktiver Komponenten, z. B. aus nicht verwerteten Nebenproduktströmen, die in aktuellen Prozessen anfallen. Die Ultraschallextraktion ist eine sehr effektive Technologie für die botanische Extraktion im Labor- und Produktionsmaßstab.
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Illustrates powerful ultrasonic cavitation  by a sonotrode in water.

Leistungsstarke Ultraschall-Kavitation in Flüssigkeit

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UIP1000 – Ultraschall-Set

1,000 watts ultrasonication system for process development and optimization before scale-up1.000-Watt-Ultraschallset für die Prozessentwicklung und -optimierung

Sonochemie

Ultraschallreaktoren erhöhen Biodieselausbeute und Verarbeitung effiency!Erfahren Sie mehr über die chemischen Anwendungen unserer Ultraschallgeräte!

Sonochemische Anwendung des Ultraschalls

cavitation_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

Biodiesel PumpDie Ultraschallbehandlung erhöht die chemische Reaktionsgeschwindigkeit und die Ausbeute bei der Umesterung von Pflanzenölen und tierischen Fetten zu Biodiesel. Dies ermöglicht die Umstellung der Produktion von der Batchverarbeitung auf eine kontinuierliche Inlineverarbeitung und reduziert die Investitions- und Betriebskosten. Die Herstellung von Biodiesel aus pflanzlichen Ölen oder tierischen Fetten beinhaltet die basenkatalysierte Umesterung von Fettsäuren mit Methanol oder Ethanol zu den entsprechenden Methylestern oder Ethylestern. Durch die Ultraschallbehandlung kann eine Biodieselausbeute von über 99 % erreicht werden. Ultraschall reduziert die Verarbeitungszeit und die Trennzeit erheblich.
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Ultraschall-Entgasung von Flüssigkeiten

Ultrasonic degassing of oil using an ultrasonic processor UP200S (200 Watts)Die Entgasung von Flüssigkeiten ist eine interessante Anwendung von Ultraschallgeräten. In diesem Fall entfernt der Ultraschall kleine schwebende Gasbläschen aus der Flüssigkeit und reduziert den Gehalt an gelöstem Gas unter das natürliche Gleichgewichtsniveau.
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Beschallen von Flaschen und Dosen zur Dichtheitsprüfung

bottle checkSie können Ultraschallgeräte in Abfüll- und Füllmaschinen installieren, um Dosen und Flaschen auf Dichtheit zu prüfen. Die sofortige Freisetzung von Kohlendioxid ist der entscheidende Effekt der Ultraschall-Dichtheitsprüfung von mit kohlensäurehaltigen Getränken gefüllten Behältern.
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Kontinuierliche Desinfektion von Warmwassersystemen

The Gruenbeck GENO-break uses Hielscher ultrasonic technology in combination with UV-C light for continuous disinfectionUm die gefährlichen Legionellen in Warmwassersystemen zu bekämpfen und ein sicheres Duschen zu gewährleisten, hat die Firma Grünbeck das GENO-break System entwickelt. Dieses System nutzt die Hielscher-Ultraschalltechnologie in Kombination mit UV-C-Licht.
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Ultraschallreinigung von Draht, Kabel und Bändern

coil of cableDie Ultraschallreinigung ist eine umweltfreundliche Alternative für die Reinigung von Endlosmaterialien, wie z. B. Draht und Kabel, Bänder oder Rohre. Durch die Wirkung der kraftvollen Ultraschallkavitation werden Schmiermittelrückstände wie Öl oder Fett, Seifen, Stearate oder Staub von der Materialoberfläche entfernt.
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Allgemeine Informationen zu Ultraschallprozessen

Die Ultraschallbehandlung ist eine voll kommerzielle Prozesstechnologie. Hohe Zuverlässigkeit und Skalierbarkeit sowie geringe Wartungskosten und hohe Energieeffizienz machen Ultraschallgeräte zu einer guten Alternative für herkömmliche Flüssigkeitsprozesse. Ultraschall bietet zusätzliche spannende Möglichkeiten: Kavitation - der grundlegende Ultraschalleffekt - erzeugt einzigartige Effekte in biologischen, chemischen und physikalischen Prozessen.

Während Ultraschall mit niedriger Intensität oder hoher Frequenz hauptsächlich für die Analyse, zerstörungsfreie Prüfung und Bildgebung verwendet wird, wird Ultraschall mit hoher Intensität für die Bearbeitung von Flüssigkeiten wie Mischen, Emulgieren, Dispergieren und Deagglomeration, Zellaufschluss oder Enzymdeaktivierung eingesetzt. 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 (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 aufnehmen 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. Durch die 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) initiieren; chemische Reaktionen durch die Erleichterung der Vermischung von Reaktanten beschleunigen; Polymerisations- und Depolymerisationsreaktionen durch die Dispersion von Aggregaten oder durch das dauerhafte Aufbrechen chemischer Bindungen in Polymerketten verbessern; Emulsionsraten erhöhen; 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 extrahieren; und schließlich Partikel, einschließlich Mikroorganismen, erodieren und zersetzen. (Kuldiloke 2002)

Ultraschall mit hoher Intensität erzeugt in niedrigviskosen Flüssigkeiten intensive Bewegungen, die zum Dispergieren von Materialien in Flüssigkeiten verwendet werden können. (Ensminger, 1988) An Flüssig/Fest- oder Gas/Fest-Grenzflächen kann die asymmetrische Implosion von Kavitationsblasen extreme Turbulenzen verursachen, die die Diffusionsgrenzschicht reduzieren, den Konvektionsstofftransport erhöhen und die Diffusion in Systemen, in denen eine normale Durchmischung nicht möglich ist, erheblich beschleunigen. (Nyborg, 1965)

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Draht & Drahtreiniger

Draht- und Kabelreinigungssystem zur Entfernung von Öl, Seife oder Staub.Draht- und Kabelreinigungssystem zur Entfernung von Öl, Seife oder Staub.



Literatur

Ensminger, D. E. (1988): Akustische und elektroakustische Methoden der Entwässerung und Trocknung, in: Drying Tech. 6, 473 (1988).

Kuldiloke, J. (2002): Einfluss von Ultraschall-, Temperatur- und Druckbehandlungen auf die Enzymaktivität und Qualitätsindikatoren von Obst- und GemüsesäftenDissertation an der Technischen Universität Berlin (2002).

Nyborg, W.L. (1965): Acoustic Streaming, Vol. 2B, Academic Press, New York (1965).