Ultraschallkavitation in Flüssigkeiten
Die Ultraschallkavitation ist die treibende Kraft hinter der hochintensiven Ultraschall-Flüssigkeitsbearbeitung. Wenn leistungsstarker Ultraschall in eine Flüssigkeit eingekoppelt wird, bilden sich mikroskopisch kleine Dampfblasen, die wachsen und heftig kollabieren. Diese akustische Kavitation erzeugt intensive lokale Scherkräfte, Mikrostrahlen, Stoßwellen, Druckänderungen und Mikromischeffekte, die Homogenisierung, Dispergierung, Emulgierung, Extraktion, Entgasung, Zellaufschluss und sonochemische Reaktionen beschleunigen können.
Die Sonden-Ultraschallgeräte von Hielscher nutzen kontrollierte akustische Kavitation, um Ultraschallenergie direkt in Flüssigkeiten, Suspensionen und Schlämme zu übertragen. Von kleinen Laborproben bis hin zur kontinuierlichen industriellen Durchflussproduktion ermöglichen die Systeme von Hielscher die Anpassung von Amplitude, Sonotrodengeometrie, Druck, Temperatur, Durchflussrate und Verweilzeit für reproduzierbare Kavitationsergebnisse.
- Für Labore: Entwicklung und Optimierung von Ultraschallparametern in kleinen Volumina.
- Für Pilotanlagen: kavitationsgesteuerte Prozesse unter realistischen Prozessbedingungen zu validieren.
- Für die Produktion: Ultraschallkavitation in Chargen-, Umwälz- oder kontinuierliche Inline-Prozesse integrieren.
Teilen Sie uns bitte die Art der Flüssigkeit, das Chargenvolumen oder die Durchflussmenge, die Viskosität, den Feststoffgehalt, die Temperaturgrenzen und das angestrebte Prozessergebnis mit. Wir empfehlen Ihnen dann die optimale Konfiguration aus Ultraschallgerät, Sonotrode und Durchflusszelle für Ihre Kavitationsanwendung.
Sonden-Ultraschallgeräte wie das UP400St nutzen das Funktionsprinzip der akustischen Kavitation.
Das Wirkprinzip der Ultraschallkavitation
Bei einer intensiven Beschallung von Flüssigkeiten mit Hochleistungs-Ultraschaschall erzeugen die Schallwellen, die sich im flüssigen Medium ausbreiten, zu abwechselnden Hochdruck- (Kompression) und Niederdruckzyklen (Verdünnung). Der Wechsel zwischen Hochdruck- und Niederdruckzyklen wird von der Ultraschall-Frequenz bestimmt. Während des Niederdruckzyklus erzeugen die hochintensiven Ultraschallwellen kleine Vakuumblasen oder Hohlräume in der Flüssigkeit. Wenn die Blasen ein Volumen erreichen, bei dem sie keine weitere Energie mehr absorbieren können, kollabieren sie heftig während eines Hochdruckzyklus. Dieses Phänomen wird als akustische 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 zudem hohe scherkräfte und Flüssigkeitsstrahlen mit einer Geschwindigkeit von bis zu 280m/s.
Akustische Kavitation (erzeugt mittels Leistungsultraschall) schafft lokal extreme Bedingungen, sogenannte sonomechanische und sonochemische Effekte. Durch diese Effekte fördert die Beschallung chemische Reaktionen, was zu höheren Ausbeuten, schnellerer Reaktionsgeschwindigkeit, neuen Wegen und verbesserter Gesamteffizienz führt.
Sonden-Ultraschallgerät oder Ultraschallbad: Welche Kavitationsmethode ist die richtige?
Sowohl Ultraschallsonden als auch Ultraschallbäder erzeugen akustische Kavitation, unterscheiden sich jedoch erheblich hinsichtlich Intensität, Steuerbarkeit und Prozesssicherheit. Während Ultraschallbäder für Reinigungszwecke nützlich sind, leiten Sonden-Ultraschallgeräte die Ultraschallenergie direkt in die Flüssigkeit ein und erzeugen eine viel stärkere, fokussierte Kavitationszone. Dies macht Sonden-Ultraschallgeräte zur bevorzugten Wahl für reproduzierbare Anwendungen in der Flüssigkeitsverarbeitung wie Homogenisierung, Emulgierung, Extraktion, Zellaufschluss, Dispersion von Nanopartikeln und sonochemische Reaktionen.
| Vergleichskriterien | Sonotrodensonicator | Ultraschallbad |
|---|---|---|
| Kavitationsintensität | Erzeugt hochintensive akustische Kavitation direkt an der Sonotrodenspitze. | Es entsteht eine schwächere Kavitation, die sich über das gesamte Badvolumen verteilt. |
| Energieübertragung | Leitet Ultraschallenergie direkt in die Flüssigkeit, Suspension oder Aufschlämmung. | Die Energieübertragung erfolgt indirekt über die Badflüssigkeit und die Behälterwand. |
| Präzise Prozesssteuerung | Ermöglicht die präzise Einstellung von Amplitude, Eingangsleistung, Impulsmodus, Temperatur und Bearbeitungszeit. | Bietet nur begrenzte Kontrolle über die tatsächliche Ultraschallenergie, die die Probe erreicht. |
| Reproduzierbarkeit | Liefert reproduzierbare Ultraschallbehandlungsergebnisse, wenn die Prozessparameter festgelegt und überwacht werden. | Die Ergebnisse können aufgrund einer ungleichmäßigen Kavitationsverteilung, der Behälterposition, des Behältermaterials, des Füllstands und der Beladung des Bades variieren. |
| Verarbeitungseffizienz | Äußerst effizient für Homogenisierung, Dispergierung, Emulgierung, Extraktion, Zellaufschluss und Sonochemie. | Eignet sich vor allem zur Reinigung. |
| Probenmenge | Erhältlich für kleine Laborproben sowie für Pilot- und Industriemengen. | Wird in der Regel für kleine Gefäße oder mehrere Behälter verwendet, die in das Bad gestellt werden. |
| Scale-up | Lässt sich von Labortests über Pilotversuche bis hin zur kontinuierlichen industriellen Inline-Verarbeitung skalieren. | Eine zuverlässige Skalierung ist schwierig, da die Energieverteilung und die Kavitationsintensität nicht ohne Weiteres übertragbar sind. |
| Geeignete Medien | Geeignet für Flüssigkeiten, Emulsionen, Suspensionen, Schlämme und Formulierungen mit hohem Feststoffanteil. | Am besten geeignet für Flüssigkeiten mit niedriger Viskosität sowie für einfache Reinigungs- oder Entgasungsaufgaben. |
| Typische Anwendungen | Nanopartikeldispersion, Nanoemulsionen, Extraktion, Zelllyse, Homogenisierung, Deagglomeration, Nassmahlung und sonochemische Reaktionen. | Reinigung von Glasgeräten, Entgasung von Flüssigkeiten, Auflösen von Pulvern und leichtes Rühren der Proben. |
| Die beste Wahl für | Kontrollierte, leistungsstarke und reproduzierbare Ultraschallbehandlung von Flüssigkeiten. | Einfache Reinigung oder Ultraschallbehandlung mit geringer Intensität. |
Wichtige Anwendungsbereiche von Ultraschallgeräten und akustischer Kavitation
Ultraschallhomogenisatoren, auch bekannt als Ultraschallstab, erzeugen effizient intensive akustische Kavitation in Flüssigkeiten. Daher werden sie in zahlreichen Anwendungen in verschiedenen Branchen eingesetzt. Einige der wichtigsten Anwendungen der von Ultraschallhomogenisatoren und Sonotroden erzeugten akustischen Kavitation sind:
- Homogenisierung: Ultraschallhomogenisatoren können intensive Kavitation erzeugen, welche als ein energiedichtes Feld von Vibrationen und Scherkräften charakterisiert wird. Diese Kräfte sorgen für ein hervorragendes Mischen, Vermengen und Zerkleinern von Partikeln. Die Ultraschallhomogenisierung erzeugt gleichmäßig durchmischte Suspensionen. Daher wird Hochleistungs-Ultraschall erfolgreich zur effizienten Herstellung homogener kolloidaler Suspensionen mit engen Verteilungskurven verwendet.
- Dispersion von Nanopartikeln: Ultraschallgeräte werden für das Dispergieren, Deagglomerieren und Nassmahlen von Nanopartikeln eingesetzt. Niederfrequente Ultraschallwellen können schlagartige Kavitation erzeugen, die Agglomerate aufbricht und die Partikelgröße verringert. Insbesondere die hohe Scherung der Flüssigkeitsstrahlen beschleunigt Partikel in der Flüssigkeit, die miteinander kollidieren (interpartikuläre Kollision), so dass die Partikel in der Folge brechen und erodieren. Dies führt zu einer gleichmäßigen und stabilen Verteilung der Partikel und verhindert die Sedimentation. Dies ist in verschiedenen Bereichen wie der Nanotechnologie, den Materialwissenschaften und der Pharmazie von entscheidender Bedeutung.
- Emulgieren und Mischen: Ultraschallstabschwinger werden zur Herstellung von Emulsionen und zum Mischen von Flüssigkeiten eingesetzt. Die Ultraschallenergie verursacht Kavitation, die Bildung und das Kollabieren von mikroskopisch kleinen Blasen, wodurch starke lokale Scherkräfte entstehen. Dieser Prozess unterstützt die Emulgierung nicht mischbarer Flüssigkeiten und führt zu stabilen und fein dispergierten Emulsionen (z.B. Nanoemulsionen).
- Extraktion: Aufgrund der erzeugten Kavitationsscherkräfte sind Ultraschallhomogenisatoren äußerst effizient für das Aufschließen zellulärer Strukturen sowie der Verbesserung des Stoffaustauschs zwischen Feststoff und Flüssigkeit. Daher wird die Ultraschallextraktion häufig zur Freisetzung von intrazellulärem Material wie bioaktiven Verbindungen für die Herstellung hochwertiger Pflanzenextrakte eingesetzt.
- Entgasung und Entlüftung: Ultraschallprozessoren werden auch dazu eingesetzt, um Gasblasen oder gelöste Gase aus Flüssigkeiten zu entfernen. Die Anwendung von Ultraschallkavitation fördert die Koaleszenz von Gasblasen, so dass diese fusionieren, dadurch wachsen und an die Oberfäche der Flüssigkeit aufsteigen. Die Ultraschallkavitation macht die Entgasung zu einem schnellen und effizienten Verfahren. Dies ist in verschiedenen Industriezweigen von Vorteil, z.B. bei Farben, Hydraulikflüssigkeiten oder bei der Lebensmittel- und Getränkeverarbeitung, wo das Vorhandensein von Gasen die Produktqualität und -stabilität beeinträchtigen kann.
- Sonokatalyse: Ultraschallprozessoren werden erfolgreich für die Sonokatalyse eingesetzt, ein Verfahren, das akustische Kavitation mit Katalysatoren kombiniert, um chemische Reaktionen zu verbessern. Die durch Ultraschallwellen erzeugte Kavitation verbessert den Stoffaustausch, erhöht die Reaktionsgeschwindigkeit und fördert die Bildung freier Radikale, was zu effizienteren und selektiveren chemischen Umwandlungen führt.
- Probenvorbereitung: Ultraschallhomogenisatoren werden häufig in Labors zur Probenvorbereitung eingesetzt. Sie werden zum Homogenisieren, Aufschließen und Extrahieren biologischer Proben wie Zellen, Gewebe und Viren verwendet. Die an der Sonotrode erzeugte Ultraschallenergie zerreißt Zellmembranen, wodurch Zellinhalte freigesetzt werden und die weitere Analyse erleichtert wird.
- Desintegration und Zellaufschluss: Ultraschallstabschwinger werden ale effiziente Methode des Zellaufschlusses und der Lyse eingesetzt. Dabei werden Zellen und Gewebe zu verschiedenen Zwecken aufgeschlossenn, z. B. zur Extraktion intrazellulärer Bestandteile, zur Inaktivierung von Mikroorganismen oder zur Probenvorbereitung für Analysen. Die hochintensiven Ultraschallwellen und die dadurch erzeugte Kavitation verursachen mechanische Beanspruchung und Scherkräfte, welche zum Aufschluss von Zellstrukturen führen. In der biologischen Forschung und der medizinischen Diagnostik werden Ultraschallstabschwinger zur Lyse eingesetzt, um deren intrazelluläre Bestandteile freizusetzen. Die Ultraschallenergie perforiert und bricht Zellwände, Membranen und Organellen auf und ermöglicht so die Extraktion von Proteinen, DNA, RNA und anderen zellulären Bestandteilen.
Dies sind einige der wichtigsten Anwendungen von Ultraschallhomogenisatoren. Allerdings hat die Ultraschall-Technologie hat ein noch viel breiteres Spektrum an weiteren Einsatzmöglichkeiten, einschließlich Sonochemie, Partikelzerkleinerung (Nassmahlen), Bottom-up-Partikel-Synthese und Sonosynthese von chemischen Substanzen und Materialien. Dementsprechend sind Ultraschallstabschwinger in verschiedenen Branchen wie Pharmazeutik, Lebensmittelverarbeitung, Biotechnologie und Umweltwissenschaften ein häufig genutztes Verfahren.
Eine Hochgeschwindigkeitssequenz (von a bis f) von Bildern, welche die sonomechanische Exfoliation einer Graphitflocke mit dem Ultraschallhomogenisator UP200S, einem 200-W-Ultraschallgerät mit 3-mm-Sonotrode, in Wasser zeigen. Die Pfeile zeigen die Stelle, an der sich die Partikel spalten und die Kavitationsblasen in den Spalt eindringen.
© Tyurnina et al. 2020
Nutzen Sie die Vorteile der Ultraschallkavitation!
In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallhomogenisatoren:
| Batch-Volumen | Durchfluss | Empfohlenes Ultraschallgerät |
|---|---|---|
| 1 bis 500ml | 10 bis 200ml/min | UP100H |
| 10 bis 2000ml | 20 bis 400ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 bis 20l | 0,2 bis 4l/min | UIP2000hdT |
| 10 bis 100l | 2 bis 10l/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 bis 100l/min | UIP16000 |
| n.a. | größere | Cluster aus UIP16000 |
Video: Akustische Kavitation in Flüssigkeit
Das folgende Video demonstriert akustische Kavitation an der Kaskatrode des Ultraschallgeräts UIP1000hdT in einer wassergefüllten Glassäule. Die Glassäule wird von unten mit rotem Licht beleuchtet, um die Kavitationsblasen besser sichtbar zu machen.
Hielscher Ultrasonics stellt Hochleistungs-Ultraschallhomogenisatoren für Mischanwendungen, Dispergierung, Emulgierung und Extraktion im Labor-, Pilot- und Industriemaßstab her.
Häufig gestellte Fragen
Was ist Ultraschall-Kavitation?
Ultraschallkavitation bezeichnet die Bildung, das Wachstum und den heftigen Zusammenbruch mikroskopisch kleiner Bläschen in einer Flüssigkeit, die hochintensivem Ultraschall ausgesetzt ist. Der Zusammenbruch dieser Bläschen erzeugt lokale intensive Scherkräfte, Flüssigkeitsmikrostrahlen, Stoßwellen, hohe Druckgradienten und starke Mikromischungseffekte.
Was ist der Unterschied zwischen Ultraschallkavitation und akustischer Kavitation?
Akustische Kavitation ist der Oberbegriff für durch Schallwellen verursachte Kavitation. Ultraschallkavitation bezeichnet akustische Kavitation, die durch Ultraschallfrequenzen erzeugt wird, die typischerweise über dem hörbaren Bereich liegen. In der industriellen Flüssigkeitsverarbeitung werden beide Begriffe häufig für Kavitation verwendet, die durch Hochleistungs-Ultraschallgeräte erzeugt wird.
Inwiefern verbessert die Ultraschallkavitation die Flüssigkeitsverarbeitung?
Ultraschallkavitation verbessert die Flüssigkeitsverarbeitung, indem sie im Inneren der Flüssigkeit intensive mechanische und chemische Effekte erzeugt. Die mechanischen Effekte unterstützen das Mischen, die Homogenisierung, die Emulgierung, die Auflockerung von Partikelaggregaten, das Nassmahlen, die Extraktion und den Zellaufschluss. In reaktiven Systemen kann Kavitation zudem sonochemische Effekte fördern und den Stoffaustausch verbessern.
In welchen Anwendungsbereichen wird Ultraschallkavitation eingesetzt?
Die Ultraschallkavitation wird zur Homogenisierung, Dispergierung, Emulgierung, Nanoemulgierung, Extraktion, Entgasung, Desagglomeration, Partikelgrößenreduktion, Zelllyse, mikrobiellen Aufschluss, Sonochemie, Sonokatalyse und für komplexe Flüssigphasenreaktionen eingesetzt.
Warum sind Ultraschallgeräte mit Sonde für die Kavitation so effektiv?
Ultraschallgeräte mit Sonde übertragen die Ultraschallenergie über eine Sonotrode direkt in die Flüssigkeit. Diese direkte Energiekopplung erzeugt einen Bereich intensiver Kavitation nahe der Sondenoberfläche und ermöglicht die präzise Einstellung wichtiger Prozessparameter wie Amplitude, Leistungsaufnahme, Temperatur, Druck und Verarbeitungszeit.
Ist ein Ultraschallbad für starke Kavitation geeignet?
Ultraschallbäder erzeugen Kavitation, doch ist die Energiedichte in der Regel deutlich geringer und weniger gebündelt als bei einem Ultraschallgerät mit Sonde. Bäder eignen sich für Reinigungszwecke und schonende Behandlungen, während Ultraschallgeräte mit Sonde für reproduzierbare Homogenisierung, Extraktion, Emulgierung, Dispersion, Zellaufschluss und die industrielle Flüssigkeitsverarbeitung bevorzugt werden.
Lesen und sehen Sie, worin sich Hand-Ultraschallgeräte und Ultraschallbäder unterscheiden!
Welche Parameter beeinflussen die Intensität der Ultraschallkavitation?
Zu den wichtigen Parametern zählen Amplitude, Ultraschallleistung, Sonotrodenoberfläche, Flüssigkeitsvolumen, Viskosität, Feststoffgehalt, Druck, Temperatur, Behältergeometrie, Durchflusszellengeometrie, Durchflussrate und Verweilzeit. Durch die Anpassung dieser Parameter lässt sich die Kavitationsintensität an das Prozessziel anpassen.
Lässt sich die Ultraschallkavitation vom Labor auf die Produktion übertragen?
Ja. Ultraschallkavitationsprozesse lassen sich im Labormaßstab entwickeln und durch Steuerung von Amplitude, Energieeintrag, Sonotrodengeometrie, Durchflussrate und Verweilzeit auf den Pilot- oder Industriemaßstab übertragen. Hielscher bietet Ultraschallgeräte und Reaktoren für Labortests, Pilotversuche und die kontinuierliche industrielle Produktion an.
Literatur / Literaturhinweise
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- Anastasia V. Tyurnina, Iakovos Tzanakis, Justin Morton, Jiawei Mi, Kyriakos Porfyrakis, Barbara M. Maciejewska, Nicole Grobert, Dmitry G. Eskin 2020): Ultrasonic exfoliation of graphene in water: A key parameter study. Carbon, Vol. 168, 2020.
Hielscher Ultrasonics fertigt Hochleistungs-Ultraschall-Homogenisatoren vom Labor bis zum voll-kommerziellen Industriemaßstab.