Ultraschallkavitation in Flüssigkeiten

Ultraschallwellen mit hoher Intensität erzeugen in Flüssigkeiten akustische Kavitation. Die Kavitation verursacht lokal extreme Effekte wie Flüssigkeitsstrahlen von bis zu 1000 km/h, Drücke von bis zu 2000 atm und Temperaturen von bis zu 5000 Kelvin. Diese durch Ultraschall erzeugten Kräfte werden für zahlreiche Anwendungen in der Flüssigkeitsbearbeitung genutzt, z. B. zum Homogenisieren, Dispergieren, Emulgieren, Extrahieren, Aufbrechen von Zellen sowie zur Intensivierung chemischer Reaktionen.

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.

Anwendungen von Ultraschallhomogenisatoren 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:
 

1. 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.
2. Dispersion von Nanopartikeln: Ultraschallgeräte werden für das Dispergieren, Deagglomerieren und Nassmahlen von Nanopartikeln eingesetzt. Niederfrequente Ultraschallwellen können eine 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.
3. 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).
4. 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.
5. 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.
6. 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.
7. 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.
8. 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

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.

In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallhomogenisatoren: