Ultraschall: Anwendungen und Prozesse
Ultraschall ist eine mechanische Verarbeitungsmethode, die akustische Kavitation und damit hochintensive physikalische Kräfte erzeugt. Daher wird Ultraschall für zahlreiche Anwendungen wie Mischen, Homogenisieren, Mahlen, Dispergieren, Emulgieren, Extrahieren, Entgasen und sonochemische Reaktionen eingesetzt.
Im Folgenden erfahren Sie alles über typische Ultraschallanwendungen und -verfahren.
Ultraschall-Homogenisierung
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
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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die ultraschall-gestütze Herstellung von Emulsionen
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-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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Zellaufschluss und Lyse mit Ultraschall
Die 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 bioaktiver Verbindungen, die 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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Sonochemische Anwendung des Ultraschalls
Die 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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Ultraschallreinigung von Draht, Kabel und Bändern
Die 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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Was macht die Sonikation zu einer überlegenen Verarbeitungsmethode?
Die Beschallung, d. h. die Verwendung hochfrequenter Schallwellen zur Umwälzung von Flüssigkeiten, ist aus einer Vielzahl von Gründen eine effiziente Verarbeitungsmethode. Im Folgenden werden einige Gründe genannt, warum die Beschallung mit hoher Intensität und niedriger Frequenz von ca. 20 kHz besonders wirkungsvoll und vorteilhaft für die Verarbeitung von Flüssigkeiten und Schlämmen ist:
- Kavitation: Einer der wichtigsten Mechanismen der Beschallung ist das Entstehen und Kollabieren winziger Bläschen, ein Phänomen, das als Kavitation bezeichnet wird. Mit 20 kHz haben die Schallwellen genau die richtige Frequenz, um Blasen effizient entstehen und zerfallen zu lassen. Das Kollabieren dieser Bläschen erzeugt energiereiche Schockwellen, die Partikel aufbrechen und Zellen in der beschallten Flüssigkeit zerstören können.
- Oszillation und Vibration: Neben der erzeugten akustischen Kavitation sorgt die Schwingung der Ultraschallsonde für zusätzliche Bewegung und Durchmischung in der Flüssigkeit und fördert so den Stoffaustausch und/oder die Entgasung.
- Durchdringung: Schallwellen mit einer Frequenz von 20 kHz haben eine relativ große Wellenlänge, die es ihnen ermöglicht, tief in Flüssigkeiten einzudringen. Die Ultraschallkavitation ist ein lokalisiertes Phänomen, das in der Umgebung der Ultraschallsonde auftritt. Mit zunehmendem Abstand zur Sonde nimmt die Intensität der Kavitation ab. Eine Beschallung mit 20 kHz kann jedoch größere Flüssigkeitsvolumina effizient behandeln, verglichen mit einer Beschallung mit höherer Frequenz, die kürzere Wellenlängen hat und in ihrer Eindringtiefe möglicherweise begrenzter ist.
- Niedriger Energieverbrauch: Die Beschallung kann im Vergleich zu anderen Verarbeitungsmethoden wie Hochdruckhomogenisierung oder mechanischem Rühren mit relativ geringem Energieverbrauch durchgeführt werden. Dies macht sie zu einer energie- und kosteneffizienten Methode für die Verarbeitung von Flüssigkeiten.
- Lineare Skalierbarkeit: Ultraschallprozesse lassen sich völlig linear auf größere oder kleinere Volumina skalieren. Dies macht Prozessanpassungen in der Produktion zuverlässig, da die Produktqualität kontinuierlich stabil gehalten werden kann.
- Batch- und Inline-Fluss: Die Ultraschallbehandlung kann als Batch- oder als kontinuierlicher Inline-Prozess durchgeführt werden. Für die Beschallung von Chargen wird die Ultraschallsonde in den offenen Behälter oder geschlossenen Chargenreaktor eingeführt. Für die Beschallung eines kontinuierlichen Stroms wird eine Ultraschall-Durchflusszelle installiert. Das flüssige Medium passiert die Sonotrode (ultraschallschwingender Stab) in einem Durchgang oder im Kreislauf und wird sehr gleichmäßig und effizient den Ultraschallwellen ausgesetzt.
Insgesamt machen die intensiven Kavitationskräfte, der geringe Energieverbrauch und die Skalierbarkeit des Prozesses die Niederfrequenz- und Hochleistungsbeschallung zu einer effizienten Methode für die Verarbeitung von Flüssigkeiten.
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)
Literatur
- Seyed Mohammad Mohsen Modarres-Gheisari, Roghayeh Gavagsaz-Ghoachani, Massoud Malaki, Pedram Safarpour, Majid Zandi (2019): Ultrasonic nano-emulsification – A review. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 52, 2019. 88-105.
- Suslick, Kenneth S.; Hyeon, Taeghwan; Fang, Mingming; Cichowlas, Andrzej A. (1995): Sonochemical synthesis of nanostructured catalysts. Materials Science and Engineering: A. Proceedings of the Symposium on Engineering of Nanostructured Materials. ScienceDirect 204 (1–2): 186–192.
- Brad W. Zeiger; Kenneth S. Suslick (2011): Sonofragmentation of Molecular Crystals. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 37, 14530–14533.
- Petigny L., Périno-Issartier S., Wajsman J., Chemat F. (2013): Batch and Continuous Ultrasound Assisted Extraction of Boldo Leaves (Peumus boldus Mol.). International Journal of Molecular Science 14, 2013. 5750-5764.
- Ensminger, D. E. (1988): Acoustic and electroacoustic methods of dewatering and drying, in: Drying Tech. 6, 473 (1988).
- Kuldiloke, J. (2002): Effect of Ultrasound, Temperature and Pressure Treatments on Enzyme Activity an Quality Indicators of Fruit and Vegetable Juices; Ph.D. Thesis at Technische Universität Berlin (2002).
- Nyborg, W.L. (1965): Acoustic Streaming, Vol. 2B, Academic Press, New York (1965).