Auflösen von Feststoffen in Flüssigkeiten mit Ultraschall

Die Herstellung von Lösungen ist sowohl für Laborproben als auch für die industrielle Produktion ein wichtiger Schritt. Im Allgemeinen müssen Laborproben vor der Analyse in flüssige Form gebracht werden. Homogenisieren und Auflösen mit Ultraschall ermöglichen eine schnelle und zuverlässige Vorbereitung von Proben jeder Größe. In der industriellen Produktion ist die Herstellung homogener Lösungen, in denen die Stoffe vollständig gelöst sind, häufig ein entscheidender Faktor, um gleichbleibende Produkteigenschaften und eine konstante Qualität zu gewährleisten. Ultraschallgeräte zum Auflösen sind als kompakte Laborgeräte und als vollwertige Industriegeräte erhältlich.

Ultraschallgeräte zum Auflösen: Einsatz und Anwendungen

Ultraschall ist ein bekanntes, zuverlässiges Werkzeug für die Probenvorbereitung im Labor. Zu den üblichen Anwendungen gehören Homogenisierung, Emulgierung, Dispergierung, Extraktion, Entgasung und sonochemische Behandlungen.
Für Messungen mit Analysegeräten (z. B. HPLC, Atomspektrometer usw.) müssen die meisten Proben im Allgemeinen in flüssige Form gebracht werden. Das bedeutet, dass die Probe entweder als homogene Lösung vorliegen muss oder bei einem heterogenen Gemisch in ein Kolloid, eine Suspension, eine Dispersion oder eine Emulsion überführt werden muss. Eine leistungsstarke Ultraschallbehandlung ist ein sehr wirksames Werkzeug zur Herstellung sowohl homogener als auch heterogener Gemische.
Weitere Informationen zur Herstellung heterogener Suspensionen finden Sie hier: Emulgieren mit Ultraschall und Dispergieren mit Ultraschall!
Zur Herstellung homogener Gemische durch Auflösen mit Ultraschall lesen Sie bitte unten weiter!

Ultraschallkavitation zum Auflösen

Ist die Probe löslich, kann der zu lösende Stoff (z. B. Sucralose oder Salze, etwa in Pulver- oder Tablettenform) in einem Lösungsmittel (z. B. Wasser, wässrigen Lösungsmitteln, organischen Lösungsmitteln usw.) aufgelöst werden. Dabei entsteht ein homogenes Gemisch, das aus nur einer Phase besteht. Der Auflösevorgang kann durch manuelles oder mechanisches Rühren erfolgen, was zeitaufwendig und ineffizient ist. Damit verbundene Probleme sind Probenverluste durch die Handhabung oder mangelnde Reproduzierbarkeit aufgrund zufälliger Fehler und ungleichmäßiger Durchmischung.
Ultraschall wird häufig eingesetzt, um ein wirksames und schnelles Auflösen von Proben zu fördern. Das ultraschallunterstützte Auflösen beruht auf der mechanischen Bewegung durch Kavitationseffekte, die beim Einleiten von Ultraschallwellen in Flüssigkeiten entstehen. Der Eintrag von Ultraschallenergie erleichtert und beschleunigt die Probenvorbehandlung, beispielsweise das Auflösen und Auslaugen vor der Analyse.
Durch die ultraschallunterstützte Herstellung einer Lösung lassen sich Stoffe in hoher Konzentration lösen und konzentrierte oder gesättigte (sowie übersättigte) Lösungen effizient und schnell herstellen.
Wird leistungsstarker Ultraschall mit niedriger Frequenz in ein flüssiges Medium eingeleitet, schafft die entstehende akustische Kavitation einzigartige Bedingungen. Die Ultraschallbehandlung hat die Vorbehandlung von Flüssig-Flüssig- und Fest-Flüssig-Proben (z. B. Aufschluss, Solubilisierung und Extraktion) verbessert, die üblicherweise vor dem analytischen Nachweis und der Messung erfolgt.

 
Die Auflösungsgeschwindigkeit beschreibt, wie schnell der Auflösevorgang abläuft. Sie wird von verschiedenen Faktoren beeinflusst:

• Material: Lösungsmittel und zu lösender Stoff
• Temperatur + Druck
• Grad der Sättigung bzw. Untersättigung
• Effizienz und Wirkung des Auflösens und Durchmischens
• Größe der Phasengrenzfläche
• Vorhandensein von Inhibitoren (z. B. auf den Partikeln abgelagerte Stoffe oder Blockierungen an der Phasengrenze)

 
Um den Solvatationsprozess zu beschleunigen und die Auflösungsgeschwindigkeit zu erhöhen, sind leistungsstarke Homogenisatoren erforderlich, die eine ausreichende mechanische Wirkung erzeugen. Die kavitationsbedingte Auflöse- und Mischwirkung von Ultraschallhomogenisatoren ist bekannt. Daher sind diese Geräte ein gängiges und zuverlässiges Werkzeug für die Probenvorbereitung in Laboratorien.

Mikroskopische Aufnahmen einer Meloxicam-Suspension:
Links: unbehandelte Meloxicam-Suspension; rechts: Meloxicam-Nanosuspension, hergestellt durch Ultraschallbehandlung mit dem UP100H für 45 Minuten bei 100% Amplitude und Zyklus 1.
(Studie und Bild: ©Iurian et al., 2015)

Auflösen von Laborproben mit Ultraschall

Das ultraschallunterstützte Auflösen zur Probenvorbereitung wird in Laboratorien vor analytischen Messungen eingesetzt.
Liste analytischer Geräte und Verfahren, die häufig Proben in flüssiger Form erfordern:

• HPLC – Hochleistungsflüssigkeitschromatographie
• FTIR – Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie
• GC – Gaschromatographie
• Atomspektroskopie
• ATR – Abgeschwächte Totalreflexion
• Partikelgrößenbestimmung mittels Laserbeugung
• Dynamische Lichtstreuung

Mit dem Ultraschallgerät zur Probenvorbereitung SonoStep kann die Probenbehandlung vor der Analyse vollständig inline erfolgen: Das Ultraschallgerät zur Probenvorbereitung verfügt über ein integriertes Rührwerk und eine Pumpe, sodass die Proben gleichmäßig und kontinuierlich durch ein geschlossenes System geführt werden. Dadurch wird eine gleichmäßige und zuverlässige Beschallung gewährleistet, ohne das Risiko von Kreuzkontamination, Probenverfälschung oder Probenverlust.
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Auflösen mit Ultraschall für die industrielle Produktion

In industriellen Produktionslinien wird Hochleistungsultraschall integriert, um Fest-Flüssig-Gemische aufzulösen und zu homogenisieren und so ein gleichmäßiges und stabiles Produkt zu erzeugen.
Nachfolgend finden Sie einige Beispiele für verschiedene Industriezweige:

• Pharmazeutische Industrie: Auflösen von Arzneimittelbestandteilen, z. B. Salzen und Polymeren
• Lebensmittel- und Getränkeindustrie: Auflösen von Zutaten, z. B. Zucker, Salz, Sirup und Würzmitteln
• Farben und Beschichtungen: Auflösen von Polymeren
• Chemie: Herstellung einer übersättigten Lösung vor Fällungsreaktionen

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