Hielscher Ultraschalltechnik

Ultraschall-Desintegration: Benetzen, Lösen, Dispergieren

Ultraschallintegratoren werden zum Benetzen, Dispergieren oder Lösen von Partikeln und Pulvern in Flüssigkeiten verwendet. Hochleistungs-Ultraschallgeräte erzeugen intensive Scherkräfte, welche Aggregate, Agglomerate und Primärpartikel auf mikroskopische oder nanoskalige Größe aufbrechen und zerkleinern. Die gleichmäßige Partikelverarbeitung. Die gleichmäßige Partikelverarbeitung im akustischen Kavitationsfeld führt zu einer engen Partikelverteilung und einer gleichmäßigen Partikeloberfläche.

Ultraschalldesintegratoren und ihre Anwendungen

Ultraschalldesintegratoren erzeugern intensive Scherkräfte, welche Feststoffe wie Partikel, Kristalle und Fasern aufbrechen und auf eine bestimmte Größe, z.B. Mikron- oder Nanogröße, reduzieren. Im Vergleich zu alternativen Zerkleinerungsmethoden wie z.B. High-Shear Schaufelmischern, Hochdruckhomogenisatoren, Perlmühlen, Mikrofluidisatoren usw. bieten Ultraschalldesintegratoren einige wesentliche Vorteile.

Vorteile des Ultraschalldesintegrators

  • Hochintensive Kavitation und Scherkräfte
  • Gleichmäßige Partikelverarbeitung
  • hohe Feststoffkonzentrationen verarbeiten
  • Keine Düsen / kein Verstopfen
  • Kein Mahlmedium (d.h. Perlen) erforderlich
  • Lineare Skalierbarkeit
  • einfacher & sicherer Betrieb
  • Leicht zu reinigen
  • Zeit - & energieeffizient

Das Funktionsprinzip von Ultraschalldesintegratoren basiert auf der Erzeugung von akustischer Kavitation. Durch die Ultraschallsonotrode werden hochintensive Ultraschallwellen in das Prozessmedium (d.h. die Flüssigkeit oder Slurry) eingetragen. Die Ultraschallwellen breiten sich in der Flüssigkeit aus und erzeugen dort alternierende Hochdruck- und Niederdruckzyklen. Während der Niederdruckzyklen entstehen winzige Vakuumblasen, so genannte Kavitationsblasen. Diese Kavitationsblasen wachsen über mehrere Druckzyklen an, bis sie eine Größe erreichen, bei der sie keine weitere Energie mehr absorbieren können. An diesem Punkt implodieren die Kavitationsblasen heftig und erzeugen lokal extreme Bedingungen wie sehr hohe Temperaturen, Drücke, extreme Temperatur- und Druckunterschiede (durch hohe Aufheiz- / Abkühlraten und Druckschwankungen), Mikroturbulenzen und Flüssigkeitsströme mit Geschwindigkeiten von bis zu 180m/s. Diese Bedingungen haben signifikante mechanische Auswirkungen auf die Feststoffpartikel im Medium, da die Hochgeschwindigkeits-Flüssigkeitsströme die Partikel im Medium beschleunigen, so dass die Partikel kollidieren (interpartikuläre Kollision). Durch die Kollision der Partikel werden Oberflächen der Feststoffe (z.B. Partikel, Fasern, Zellen) erodiert, aufgeschlossen und in mikro- und nanoskalige Fragmente zertrümmert.
Die durch Ultraschall erzeugten hohen Turbulenzen erhöhen den Stoffaustausch zwischen den Phasen und fördern dadurch die Auflösung von Pulvern oder heterogenen chemischen Reaktionen. Dies macht Ultraschalldesintegratoren zum bevorzugten Werkzeug zur Intensivierung von Prozessen wie dem Mahlen, Dispergieren, Emulgieren und Lösen.

Ultraschall-Deintegratoren als Cluster von 7x UIP1000hdT (7x 1kW) installiert

7x Ultraschall-Desintegrator UIP1000hdT (7x 1kW Ultraschallleistung) als Cluster installiert

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Lesen Sie mehr über die Ultraschall-Intensivierung von chemischen Reaktionen (Sonochemie)!

Anwendungen von Ultraschalldesintegratoren

  • Mahlen & Feinmahlen
  • Desagglomeration & Dispersion
  • Emulgierung
  • Lösen von Pulvern
  • Verbesserung des Massetransfers
  • sonochemische Reaktionen

Ultraschalldesintegratoren zur Partikelgrößenreduzierung

Ultraschalldesintegratoren werden zur Partikelzerkleinerung und Partikelverteilung eingesetzt, sei es zur echten Zerkleinerung von Primärpartikeln (als Mahlen bezeichnet) oder zum Aufbrechen von Agglomeraten (als Deagglomeration / Dispergierung bezeichnet).

Ultraschallfräsen von Mg2Si.

Partikelgrößenverteilung und SEM-Aufnahmen von Mg2Si vor und nach der Vermahlung mittels Ultraschall. (a) Partikelgrößenverteilung; (b) SEM-Bild vor dem Ultraschallmahlen; (c) SEM-Bild nach dem Ultraschallmahlen in 50% PVP-50% EtOH für 2 h.
Quelle: Marquez-Garcia et al. 2015.

Ultraschalldesintegratoren für das Mahlen & Feinmahlen

Die durch Ultraschall generierte Kavitation erzeugt intensive Scherkräfte und damit verbundene interpartikuläre Kollisionen. Die Feststoffe in der Slurry fungierene als Mahlmedium (vergleichbar mit Perlen in einer Perlmühle): Sie werden durch die kavitativen Flüssigkeitsströme beschleunigt, welche Geschwindigkeiten von bis zu 180m/s erreichen. Wenn die Partikel mit solch enormer Geschwindigkeit aufeinander treffen, zerbrechen sie und zersplittern in mikron- und nanoskalige Fragmente. Ultraschalldesintegratoren können sogar Primärteilchen zerschlagen. Ultraschall-Durchflusszellenreaktoren sorgen für eine gleichmäßige Behandlung aller Partikel, so dass das Ultraschallmahlen zu einer engen Partikelgrößenverteilung führt.
Klicken Sie hier, um mehr über das ultraschall-gestützte Vermahlen zu erfahren!

Ultraschalldesintegratoren für die Deagglomeration & Dispersion

Die Parameter eines Ultraschall-Prozesses können sehr präzise gesteuert werden, wodurch Ultraschalldesintegratoren auch Primärpartikel mahlen können, wenn hohe Amplituden und erhöhter Druck angewendet werden. Andererseits können Ultraschalldesintegrationssysteme auch bei niedrigeren Amplituden und milderen Bedingungen betrieben werden, so dass die Partikelstruktur und -oberfläche intakt bleibt, Agglomerate jedoch auseinander gebrochen werden und die einzelnen Partikel gleichmäßig in der Suspension verteilt werden.
Klicken Sie hier, um mehr über Ultraschall-Degglomeration und -Dispersion zu erfahren!

Ultraschall-Desintegratoren für die Emulgierung

Wenn zwei nicht mischbare Flüssigkeiten (z.B. Wasser und Öl) beschallt werden, zerreißt die Ultraschallkavitation die Tröpfchen – wodurch sehr kleine Tröpfchen der beiden nicht mischbaren Phasen entstehen, welche dann miteinander vermischt werden. Da Ultraschalldesintegratoren problemlos Tropfen im nano-skaligen Maßstab erzeugen, weisen stabilisierte Ultraschall-Emulsionen eine hohe Langzeitstabilität und ein klares, transparentes Aussehen auf.
Klicken Sie hier, um mehr über die Ultraschall-Nanoemulgierung zu erfahren!

Ultraschall-Desintegratoren für das Lösen

Ultraschalldesintegratoren werden häufig eingesetzt, um Pulver und Tabletten in einem schnellen, einfachen und sicheren Verfahren aufzulösen. Die durch Ultraschall erzeugte Kavitation erodiert die Oberfläche von Feststoffen und transportiert die erodierten Fragmente in die Flüssigkeit, wodurch eine homogene Lösung entsteht.
In der pharmazeutischen Industrie ist das Lösen von Pulvern und Tabletten eine tägliche Aufgabe, z.B. für analytische Zwecke. Wenn Tabletten einer wässrigen Umgebung ausgesetzt werden, löst sich die Tablette in einem sehr langsamen Prozess auf. Selbst bei Verwendung eines herkömmlichen Rührers oder Blattrührwerks bleibt das vollständige Lösen von Tabletten zeitaufwendig. Ultraschallkavitation und die ausserordentlich intensiven Scherkräfte lösen Partikel aus der Tablette und transportieren sie in das Lösungsmittel, wodurch der Stoffaustausch zwischen der Tablettenoberfläche und dem frischen, ungesättigten Lösungsmittel kontinuierlich in Gang gehalten wird. Das macht das Lösen mit Ultraschall zu einem äusserst schnellen und effizienten Prozess, der zur Beschleunigung der Wirkstofflösung beiträgt.
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Ultraschallauflösung von Gummibärchen in Wasser mit dem Ultraschall-Desintegrator UP200St

Wie funktioniert ein mechanischer Desintegrator?

Ultraschall-Labordesintegratoren verwenden das gleiche mechanische Prinzip wie industrielle Desintegratoren. Desintegrator-Mischsysteme zerkleinern Agglomerate und Aggregate, lösen Feststoffe auf oder dispergieren Feststoffpartikel in flüssigen Gemischen. Die Ultraschalldesintegration erfolgt mit einer Ultraschallsonotrode in einem Gefäß bzw. Tank oder in einem Durchflusszellenreaktor. Die Sonotrode (Ultraschallstab) des Ultraschalldesintegrators schwingt in der Flüssigkeit mit einer sehr hohen Frequenz und erzeugt intensive Ultraschallkavitation in der Flüssigkeit. Die Implosion der Kavitationsblasen resultiert in hochintensiven Scherkräften, welche Agglomerate, Aggregate und sogar Primärpartikel aufbrechen. Außerdem erzeugt die Ultraschallkavitation eine Hochgeschwindigkeits-Kavitationsströmung mit bis zu 1000km/h. Die kavitativen Flüssigkeitsstrahlen zerschlagen Partikelagglomerate, brechen Zellwände auf, verbessern den Materialtransfer innerhalb von Slurries und dispergieren Feststoffe homogen im gesamten Flüssigkeitsvolumen. Im Bereich der Ultraschall-Kavitation wechseln die Drücke schnell und wiederholt zwischen Vakuum und bis zu 1000 bar. Ein Rotationsmischer mit 4 Mischerflügeln müsste mit einer erstaunlichen Drehzahl von 300.000 U/min arbeiten, um die gleiche Frequenz der Druckwechselzyklen zu erreichen. Herkömmliche Rotationsmischer und Rotor-Stator-Mischer erzeugen aufgrund ihrer Geschwindigkeitsbegrenzung keine nennenswerte Kavitation.

Interessiert an der Bottom-up-Synthese von Nanopartikeln? – Klicken Sie hier, um mehr zu lesen!

Ultraschallzerfall ist hochwirksam, um Partikel zu fräsen, zu dispergieren oder aufzulösen

Ultraschall-Desintegrator UIP2000hdT für Partikeldispersionen in einem Reaktor aus rostfreiem Edelstahl

Labor-Ultraschalldesintegratoren

Die brandneuen 200 Watt Ultraschall-Laborgeräte UP200St und UP200Ht sind leistungsstarke Homogenisator zur Homogenisierung, Emulgieren, Dispergieren, Desagglomerieren und Vermahlung & & zum Nassmahlen, für die Extraktion, Lyse, Desintegration, Entgasen, Sprühen und sonochemischen Anwendungen.Ultraschallgeräte mit Sonotrode sind in fast jedem Labor zu finden. Eine Ultraschallsonotrode (auch als Ultraschallstab, -spitze oder -finger bekannt) ist ein Stab aus Titan, der Ultraschallschwingungen in eine Flüssigkeit einkoppelt. Hielscher stellt Ultraschallsonotroden in vielen verscheienden Größen und Geometrien her. Für die Desintegration und Zerkleinerung Feststoffen im Labor werden vor allem Ultraschallsonotroden mit 3, 7, 14 oder 22 mm Spitzendurchmesser verwendet. Andere Sonotrodengrößen sowie kundenspezifische gefertigte Sonotroden sind auf Anfrage erhältlich. Ultraschallgeräte für die Zerkleinerung von Feststoffen im Labor sind von 100 bis 400 Watt Ultraschallleistung verfügbar.

Industrielle Ultraschall-Desintegratoren

UIP4000hdT Ultraschallreaktor für die Inline-Beschallung im industriellen MaßstabIndustrielle Desintegratoren von Hielscher sind Hochleistungs-Ultraschallprozessoren, welche für die kontinuierliche Desintegration von großen Slurryströmen mit hohem Leistungseintrag ausgelegt sind. Diese industriellen Systeme können problemlos hohe Feststoffkonzentrationen verarbeiten. Industrielle Ultraschallsonotroden sind mit einem Flansch ausgestattet, der an Stahltanks, Glasreaktoren oder Kunststoffbehältern in beliebiger Ausrichtung montiert werden kann. Die Druckbeaufschlagung des Beschallungsgefäßes oder der Durchflusszelle intensiviert die akustische Kavitation und damit den Beschallungsprozess. Typische industrielle Ultraschall-Desintegrationsgeräte sind von 500 bis 16.000 Watt Ultraschallleistung pro Ultraschallgerät verfügbar.

Industrien, in denen die Ultraschalldesintegration weit verbreitet ist:

  • Dispergieren, Lösen, Mischen von Fest/Flüssig-Formulierungen
  • Material Science / Werkstoffkunde
  • Probenvorbereitung vor der Analyse
  • Nanopartikel-Anwendungen
  • Partikel-Funktionalisierung
  • Phasentransfer-Reaktionen
  • Kristallisation/Fällungsreaktionen
  • Nahrungsmittelverarbeitung
  • Papierindustrie
  • Biomasse-Digestion

Wie kaufe ich den richtigen Ultraschalldesintegrator?

Hielscher Ultrasonics ist langjährig erfahrener Hersteller von Hochleistungs-Ultraschalldesintegratoren, welche zum Dispergieren und Mahlen von Partikeln oder zum Lösen von Pulvern in Flüssigkeiten eingesetzt werden. Als Marktführer konstruiert, fertigt und vertreibt Hielscher Ultraschalldesintegratoren und -homogenisatoren vom Labor- und Technikumsmaßstab bis hin zu vollindustriellen Ultraschallsystem.

Wir helfen Ihnen bei der Beantwortung der folgenden Fragen, um den für Ihre Anwendung und Bedürfnisse am besten geeigneten Ultraschalldesintegrator zu finden:

  • Was ist Ihre Zielanwendung?
  • Wie groß ist das typische Volumen, das verarbeitet werden muss?
  • Was sind die kritischen Faktoren des Prozesses?
  • Welche Qualitätsstandards müssen erreicht werden?

Unsere gut ausgebildeten und langjährig erfahrenen Mitarbeiter unterstützen Sie bei allen Fragen und der Konzeption Ihres Prozesses. Hielscher Ultrasonics bietet eine eingehende Beratung zu Ultraschallprozessen an, um seinen Kunden bei der Suche nach dem optimalen Ultraschallgerät zu helfen. Aber Hielscher's Service endet hier nicht, wir schulen unsere Kunden entweder bei ihnen vor Ort oder in unserem Ultraschall-Prozesslabor und Technikum, um sie bei der Prozessentwicklung, der Optimierung und dem Scale-up zu unterstützen.
Hielscher Ultrasonics‘ industrielle Ultraschallprozessoren liefern problemlos sehr hohe Amplituden, die benötigt werden, um harte Partikel und Agglomerate aufzubrechen oder Slurries mit hoher Feststoffkonzentration zu verarbeiten. Hielscher Industriedesintegratoren können mit Amplituden von bis zu 200µm kontinuierlich im 24/7 Betrieb betrieben werden. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschall-Sonotroden erhältlich. Weiteres Zubehör wie z.B. Boosterhörner, Durchflusszellen, Beschallungsreaktoren und komplette Rezirkulationsvorrichtungen sind ebenso erhältlich und erlauben es, Ihr Ultraschallsystem spezifisch auf Ihre Prozessanforderungen hin zu konfigurieren.

Hochentwickelte Ultraschall-Desintegratoren

Präzise Kontrolle über die Ultraschall-Prozessparameter von Hielscher Ultrasonics' intelligente SoftwareHielscher Ultrasonics setzt auf Leistungsstarke Disintegratoren mit höchster Benutzerfreundlichkeit und modernsten technischen Fortschritten. Das bedeutet, dass sich die Standards der Hielscher Labor-Disintegratoren immer mehr an die Intelligenz industrieller Maschinen anpassen. Der Anwender kann Hielschers digitale Ultraschallgeräte über eine Browser-Fernbedienung steuern. Die automatische Datenerfassungssoftware schreibt alle wichtigen Ultraschallparameter wie Nettoleistung, Gesamtleistung, Amplitude, Temperatur, Druck, Zeit und Datum als CSV-Datei auf eine eingebaute SD-Karte. Darüber hinaus kann der Ultraschall-Disintegrator nach einer bestimmten Zeit oder einem bestimmten Energieeingang oder Programm pulsierenden Beschallungsmodi auf automatische Abschaltung programmiert werden. Steckbare Temperatur- und Drucksensoren ermöglichen eine sorgfältige Verfolgung der Probenbedingungen. Da die Temperaturregelung wärmeempfindlicher Materialien ein entscheidender Faktor für die Qualität der Prozessergebnisse ist, bietet Hielscher verschiedene Lösungen, um die Prozesstemperatur im angestrebten Temperaturbereich zu halten.
Die ausgeklügelten Funktionen der Hielscher Ultraschallgeräte gewährleisten höchste Prozesskontrolle, zuverlässige und reproduzierbare Beschallungsergebnisse, Benutzerfreundlichkeit und Arbeitskomfort.
Hielscher Ultrasonics‘ industrielle Ultraschallprozessoren können sehr hohe Amplituden liefern. Amplituden von bis zu 200µm können problemlos im 24/7-Betrieb kontinuierlich betrieben werden. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschall-Sonotroden erhältlich. Die Fähigkeit, solch hohe Ultraschallamplituden in das Prozessmedium einzukoppeln, ermöglicht es unseren Kunden, Primärpartikel effektiv auf Nanogröße zu mahlen. Die Robustheit der Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglicht einen 24/7-Betrieb bei hoher Beanspruchung und in anspruchsvollen Umgebungen.

Qualität – Made in Germany

Als familiengeführtes Unternehmen ist Hielscher stolz auf die hohe Qualität seiner Ultraschallprozessoren. Alle Ultraschallgeräte werden in unserem Hauptsitz in Teltow bei Berlin konstruiert, gefertigt und geprüft. Die Robustheit der Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglicht einen 24/7-Betrieb bei hoher Beanspruchung und in anspruchsvollen Umgebungen.

Sie können Hielscher Ultraschalldesintegratoren in verschiedenen Größen und Geräteklassen kaufen. Die Preisspanne bietet einen erschwinglichen Ultraschalldesintegrator, der auch Ihrem Budget entspricht. Voder Partikelzerkleinerungh in kleinen Laborfläschchen bis hin zur kontinuierlichen Desintegration von Slurries in der industriellen Produktion, Hielscher Ultrasonics hat den passenden Desintegrator für Sie! Bitte kontaktieren Sie uns – wir empfehlen Ihnen gerne das am besten für Sie geeignete Ultraschallgerät!
In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallsysteme:

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

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Hielscher Ultrasonics stellt leistungsstarke Ultraschall-Homogenisatoren für die Dispersion, Emulgierung und Zellenextraktion her.

Leistungsstarke Ultraschall-Homogenisatoren von Labor bis Pilot- und industrielle Maßstab.

Literatur / Literaturhinweise