Ultraschallkavitation in Flüssigkeiten

Ultraschallkavitation ist die treibende Kraft hinter der Behandlung von Flüssigkeiten mit hochintensivem Ultraschall. Wird leistungsstarker Ultraschall in eine Flüssigkeit eingekoppelt, bilden sich mikroskopisch kleine Dampfblasen, die wachsen und heftig kollabieren. Diese akustische Kavitation erzeugt starke lokale Scherkräfte, Mikrostrahlen, Stoßwellen, Druckänderungen und Mikromischeffekte, die Homogenisierung, Dispergierung, Emulgierung, Extraktion, Entgasung, Zellaufschluss und sonochemische Reaktionen beschleunigen können.

Ultraschallgeräte mit Sonotrode von Hielscher nutzen kontrollierte akustische Kavitation, um Ultraschallenergie direkt in Flüssigkeiten, Suspensionen und Schlämme zu übertragen. Von kleinen Laborproben bis zur kontinuierlichen industriellen Durchflussproduktion ermöglichen Systeme von Hielscher die Einstellung von Amplitude, Sonotrodengeometrie, Druck, Temperatur, Volumenstrom und Verweilzeit für reproduzierbare Kavitationsergebnisse.

• Für Labore: Beschallungsparameter in kleinen Volumina entwickeln und optimieren.
• Für Pilotanlagen: kavitationsgestützte Prozesse unter realistischen Verarbeitungsbedingungen validieren.
• Für die Produktion: Ultraschallkavitation auf Chargenprozesse, Kreislaufprozesse oder kontinuierliche Inline-Prozesse skalieren.

Das Wirkprinzip der Ultraschallkavitation

Bei der Beschallung von Flüssigkeiten mit hohen Intensitäten erzeugen die sich im flüssigen Medium ausbreitenden Schallwellen abwechselnde Hochdruckphasen (Kompression) und Niederdruckphasen (Verdünnung), deren Wiederholungsrate von der Frequenz abhängt. Während der Niederdruckphase erzeugen hochintensive Ultraschallwellen kleine Vakuumblasen oder Hohlräume in der Flüssigkeit. Wenn die Blasen ein Volumen erreichen, bei dem sie keine Energie mehr aufnehmen können, kollabieren sie während einer Hochdruckphase heftig. Dieses Phänomen wird als Kavitation bezeichnet. Während der Implosion werden lokal sehr hohe Temperaturen von etwa fünftausend Kelvin (ca. 5.000K) und Drücke von etwa zweitausend Atmosphären (ca. 2.000atm) erreicht. Die Implosion der Kavitationsblase erzeugt außerdem Flüssigkeitsstrahlen mit Geschwindigkeiten von bis zu 280m/s.

Akustische Kavitation (erzeugt durch Leistungsultraschall) schafft lokal extreme Bedingungen, sogenannte sonomechanische und sonochemische Effekte. Aufgrund dieser Effekte fördert die Beschallung chemische Reaktionen und führt zu höheren Ausbeuten, höheren Reaktionsgeschwindigkeiten, neuen Reaktionswegen und einer verbesserten Gesamteffizienz.

Wichtige Anwendungen von Ultraschallgeräten und akustischer Kavitation

Ultraschallgeräte mit Sonotrode, auch als Ultraschallsonden bezeichnet, erzeugen effizient intensive akustische Kavitation in Flüssigkeiten. Daher werden sie in zahlreichen Anwendungen verschiedener Branchen eingesetzt. Zu den wichtigsten Anwendungen der akustischen Kavitation, die mit Ultraschallgeräten mit Sonotrode erzeugt wird, gehören:
 

1. Homogenisierung: Sonotroden können intensive Kavitation erzeugen, die sich als energiedichtes Feld aus Schwingungen und Scherkräften beschreiben lässt. Diese Kräfte sorgen für ein hervorragendes Mischen, Vermengen und Zerkleinern von Partikeln. Die Ultraschallhomogenisierung erzeugt gleichmäßig durchmischte Suspensionen. Daher wird die Beschallung zur Herstellung homogener kolloidaler Suspensionen mit schmalen Verteilungskurven eingesetzt.
2. Nanopartikeldispergierung: Ultraschallgeräte werden zur Dispergierung, Deagglomeration und Nassvermahlung von Nanopartikeln eingesetzt. Niederfrequente Ultraschallwellen können starke Kavitation erzeugen, die Agglomerate aufbricht und die Partikelgröße reduziert. Insbesondere die starke Scherwirkung der Flüssigkeitsstrahlen beschleunigt Partikel in der Flüssigkeit, die miteinander kollidieren (interpartikuläre Kollision), sodass die Partikel zerbrechen und erodieren. Dies führt zu einer gleichmäßigen und stabilen Partikelverteilung, die Sedimentation verhindert. Das ist in verschiedenen Bereichen entscheidend, darunter Nanotechnologie, Materialwissenschaften und Pharmazie.
3. Emulgieren und Mischen: Ultraschallgeräte mit Sonotrode werden zur Herstellung von Emulsionen und zum Mischen von Flüssigkeiten eingesetzt. Die Ultraschallenergie verursacht Kavitation, also die Bildung und den Kollaps mikroskopisch kleiner Blasen, wodurch starke lokale Scherkräfte entstehen. Dieser Prozess unterstützt das Emulgieren nicht mischbarer Flüssigkeiten und erzeugt stabile, fein dispergierte Emulsionen.
4. Extraktion: Aufgrund der kavitationsbedingten Scherkräfte sind Ultraschallgeräte beim Aufschluss zellulärer Strukturen und bei der Verbesserung des Stofftransports zwischen Feststoff und Flüssigkeit hocheffizient. Daher wird die Ultraschallextraktion häufig eingesetzt, um intrazelluläres Material wie bioaktive Verbindungen für die Herstellung hochwertiger Pflanzenextrakte freizusetzen.
5. Entgasung und Entlüftung: Ultraschallgeräte mit Sonotrode werden eingesetzt, um Gasblasen oder gelöste Gase aus Flüssigkeiten zu entfernen. Die Anwendung von Ultraschallkavitation fördert die Koaleszenz von Gasblasen, sodass diese wachsen und zur Flüssigkeitsoberfläche aufsteigen. Ultraschallkavitation macht die Entgasung zu einem schnellen und effizienten Verfahren. Dies ist in verschiedenen Branchen wertvoll, etwa bei Farben, Hydraulikflüssigkeiten oder der Lebensmittel- und Getränkeverarbeitung, wo vorhandene Gase die Produktqualität und -stabilität beeinträchtigen können.
6. Sonokatalyse: Sonotroden können für die Sonokatalyse eingesetzt werden, ein Verfahren, das akustische Kavitation mit Katalysatoren kombiniert, um chemische Reaktionen zu fördern. Die durch Ultraschallwellen erzeugte Kavitation verbessert den Stofftransport, erhöht die Reaktionsgeschwindigkeiten und fördert die Bildung freier Radikale, was zu effizienteren und selektiveren chemischen Umsetzungen führt.
7. Probenvorbereitung: Ultraschallgeräte mit Sonotrode werden in Laboren häufig zur Probenvorbereitung eingesetzt. Sie dienen zum Homogenisieren, Desaggregieren und Extrahieren biologischer Proben wie Zellen, Gewebe und Viren. Die von der Sonotrode erzeugte Ultraschallenergie bricht die Zellmembranen auf, setzt Zellinhalte frei und erleichtert die weitere Analyse.
8. Desintegration und Zellaufschluss: Ultraschallgeräte mit Sonotrode werden zur Desintegration und zum Aufschluss von Zellen und Geweben für verschiedene Zwecke eingesetzt, etwa zur Extraktion intrazellulärer Bestandteile, zur mikrobiellen Inaktivierung oder zur Probenvorbereitung für die Analyse. Die hochintensiven Ultraschallwellen und die dadurch erzeugte Kavitation verursachen mechanische Belastungen und Scherkräfte, die zur Desintegration von Zellstrukturen führen. In der biologischen Forschung und medizinischen Diagnostik werden Ultraschallgeräte mit Sonotrode zur Zelllyse eingesetzt, also zum Aufbrechen von Zellen, um deren intrazelluläre Bestandteile freizusetzen. Ultraschallenergie bricht Zellwände, Membranen und Organellen auf und ermöglicht so die Extraktion von Proteinen, DNA, RNA und anderen Zellbestandteilen.

 
Dies sind einige der wichtigsten Anwendungen von Ultraschallgeräten mit Sonotrode. Die Technologie bietet jedoch ein noch breiteres Spektrum weiterer Einsatzmöglichkeiten, darunter Sonochemie, Partikelzerkleinerung (Nassvermahlung), Bottom-up-Partikelsynthese und Sonosynthese chemischer Substanzen und Materialien in verschiedenen Branchen wie Pharmazie, Lebensmittelverarbeitung, Biotechnologie und Umweltwissenschaften.

Eine mit hoher Geschwindigkeit aufgenommene Bildsequenz (von a bis f) zeigt die sonomechanische Exfoliation einer Graphitflocke in Wasser mithilfe des UP200S, eines 200W-Ultraschallgeräts mit einer 3-mm-Sonotrode. Pfeile zeigen die Stellen, an denen sich Partikel aufspalten und Kavitationsblasen in den Spalt eindringen.
© Tyurnina et al. 2020

Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Anhaltspunkt für die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte:

Video zur akustischen Kavitation in Flüssigkeit

Das folgende Video zeigt akustische Kavitation an der Cascatrode des Ultraschallgeräts UIP1000hdT in einer mit Wasser gefüllten Glassäule. Die Glassäule wird von unten mit rotem Licht beleuchtet, um die Kavitationsblasen besser sichtbar zu machen.