Ultraschall-Durchflussreaktoren – Aufbau, Anwendungen und Vorteile

Ultraschallreaktoren ermöglichen eine kontinuierliche Inline-Behandlung von Flüssigkeiten und Schlämmen mit starken Ultraschallwellen. Ultraschallreaktoren werden zum Homogenisieren, Mischen, Emulgieren, Dispergieren, Extrahieren, Zellaufschluss, Pasteurisieren, Entgasen, Lösen und zur Intensivierung chemischer Reaktionen wie Synthese oder Katalyse eingesetzt. Lesen Sie mehr über die Ultraschallreaktortechnologie und wie Ihr Prozess von der Beschallung profitieren kann!

Wofür werden Durchflusszellen in Beschallungsprozessen verwendet?

Eine Durchflusszelle, auch als Durchflusszelle oder Durchflussreaktor bezeichnet, ist ein Gerät, das in verschiedenen wissenschaftlichen und technischen Anwendungen eingesetzt wird, um kontinuierliche Durchflussprozesse zu ermöglichen. Durchflusszellen werden häufig in Beschallungsprozessen verwendet, insbesondere wenn große Mengen mit Leistungsultraschall behandelt werden. Eine Ultraschall-Durchflusszelle oder ein sonochemischer Reaktor ist eine spezielle Kammer oder Zelle, die so konzipiert ist, dass eine Flüssigkeit oder ein Schlamm durch sie hindurchfließen kann, während sie einer Beschallung unterzogen wird.

Durchflusszellen werden häufig in Bereichen wie Mischen und Homogenisieren, Chemie, Biologie, Elektrochemie und Biotechnologie eingesetzt. Sie bieten mehrere Vorteile gegenüber Batch-Prozessen, darunter eine gleichmäßigere Beschallung, eine bessere Kontrolle, eine verbesserte Reaktionskinetik, einen effizienten Stoffaustausch und die Möglichkeit, den Beschallungsprozess effizient in einen Inline-Produktionsprozess zu integrieren.

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Industrieller Ultraschallhomogenisator mit Durchflusszellenreaktor

Der MultiSonoReactor MSR-4 ist ein industrieller Inline-Homogenisierungsreaktor für die industrielle Flüssigkeitshomogenisierung mit hohem Durchsatz.

Anwendungen für Ultraschall-Durchflusszellen und sonochemische Reaktoren

Hielscher-Ultraschallreaktoren können für eine Vielzahl chemischer Reaktionen an den Grenzflächen zwischen Flüssigkeit und Feststoff, Flüssigkeit und Flüssigkeit oder Flüssigkeit und Gas eingesetzt werden. Einige Beispiele für Reaktionen, die mit Ultraschallreaktoren verbessert werden können, sind:

  • Homogenisierung von Emulsionen: Ultraschallreaktoren können dazu beitragen, Partikel in Emulsionen aufzubrechen und zu dispergieren, was zu stabileren und einheitlicheren Produkten führt.
  • Kristallisation: Die Ultraschallbestrahlung kann die Kristallisation in Lösungen auslösen, was zur Bildung kleiner und gleichmäßiger Kristalle mit hoher Reinheit führt.
  • Entgasung: Mit Hilfe von Ultraschall können gelöste Gase aus Flüssigkeiten entfernt werden, was die Qualität und Stabilität der Produkte verbessern kann.
  • Extraktion: Ultraschallreaktoren können die Effizienz von Extraktionsprozessen erhöhen, indem sie die Diffusion von gelösten Stoffen durch Membranen oder Grenzflächen fördern.
  • Polymerisation: Ultraschallbestrahlung kann die Einleitung und Ausbreitung von Polymerisationsreaktionen fördern, was zu schnelleren Reaktionsgeschwindigkeiten und höheren Molekulargewichten führt.
  • Synthese von Nanopartikeln: Mit Hilfe von Ultraschallreaktoren können Nanopartikel mit kontrollierter Größe, Form und Oberflächeneigenschaften synthetisiert werden.
  • Sonokatalyse: Die Ultraschallbestrahlung kann die katalytische Aktivität bestimmter Materialien erhöhen, was zu schnelleren Reaktionsgeschwindigkeiten und besserer Selektivität führt.

 

Ultrasonicator UIP6000hdT mit Ultraschall-Durchflusszelle und Schallschutzschrank für industrielle Prozesse mit hohem Durchsatz.

Das Industrieschallgerät UIP6000hdT mit Ultraschall-Durchflusszellenreaktor und Schallschutzkabine.

Dieses Video zeigt eine durch Ultraschallkavitation ausgelöste Farbänderung in einer Flüssigkeit. Die Ultraschallbehandlung intensiviert die oxidative Redoxreaktion.

Kavitationsinduzierte Farbveränderung mit dem Sonicator UP400St

Video-Miniaturansicht

Hochentwickeltes Ultraschallreaktordesign für überragende Prozessergebnisse

Wenn es um Inline-Reaktoren für die Verarbeitung von Flüssigkeiten geht, sollten mehrere wichtige Faktoren berücksichtigt werden. Hielscher-Ultraschallreaktoren werden Diese Faktoren können je nach spezifischer Anwendung und Anforderungen variieren, aber hier sind einige relevante Überlegungen:

  • Reaktorkonstruktion: Die Konstruktion des Reaktors selbst ist einer der einflussreichsten Faktoren für eine erfolgreiche Inline-Ultraschallverarbeitung. Faktoren wie Größe, Geometrie, Position der Sonotrode und Material der Konstruktion müssen berücksichtigt werden, um die Kompatibilität mit der zu beschallenden Flüssigkeit sowie die gewünschten Reaktionsbedingungen (z. B. Ultraschallintensität, Temperatur, Druck) zu gewährleisten.
  • Mischen und Rühren: Die Beschallung sorgt für eine hocheffiziente Mikrovermischung. Bei größeren Tankreaktoren kann ein zusätzliches Mischen und Rühren von Vorteil sein, um eine gute Makromischung zu erreichen. Ein Schaufelmischer oder Rührwerk trägt zu einem optimalen Stoffaustausch bei, da das gesamte Material in die Ultraschallkavitationszone bewegt wird. Daher können in Hielscher-Reaktoren auch Makromischer wie Rührwerke oder Impeller eingebaut werden.
  • Aufenthaltsdauer: Die Verweilzeit im sonochemischen Reaktor, die sich auf die Zeit bezieht, die die Flüssigkeit im Reaktor verbringt, ist ein kritischer Parameter: Es ist die Zeit, in der das Material den Ultraschallschwingungen, der Kavitation und den Scherkräften ausgesetzt ist. Sie beeinflusst das Ausmaß der Reaktion und die Produktivität des Prozesses. Hielscher-Ultraschallreaktoren sind so konzipiert, dass die gewünschte Verweilzeit unter Beibehaltung eines geeigneten Durchsatzes einfach und zuverlässig gesteuert und eingestellt werden kann.
  • Temperaturregelung: Für viele Stoffe und Reaktionen ist eine präzise Temperaturkontrolle unerlässlich. Deshalb sind die Hielscher Ultraschallreaktoren mit Vorkehrungen zur Kontrolle und Aufrechterhaltung der gewünschten Temperatur ausgestattet. Dies wird durch verschiedene Maßnahmen erreicht, wie z. B. Ummantelung oder externe Heiz-/Kühlsysteme.
  • Druckkontrolle: Einige Reaktionen profitieren von bestimmten Druckbedingungen. Im Allgemeinen werden die Beschallungseffekte bei erhöhtem Druck verstärkt. Der Reaktor sollte in der Lage sein, den gewünschten Druckbereich sicher und effektiv zu bewältigen. Selbstverständlich bietet Hielscher für seine Ultraschallreaktoren Druckkontrollmechanismen, wie Überdruckventile oder Druckregler, an.
  • Sicherheitserwägungen: Einfache Bedienung und Sicherheit stehen bei der Reaktorkonstruktion an oberster Stelle. Hielscher-Ultraschallreaktoren werden nach Industriestandards und unter Berücksichtigung höchster Sicherheitsanforderungen mit entsprechenden Sicherheitseinrichtungen wie Druckbegrenzungsventilen, Druck- und Temperaturüberwachungssystemen, automatischer Datenaufzeichnung und ggf. Inertgasspülung ausgelegt und betrieben.
  • Skalierungspotenzial: Wenn der Bedarf an Flüssigkeitsverarbeitung in der Zukunft voraussichtlich steigen wird, ist es wichtig, das Scale-up-Potenzial des Reaktors zu berücksichtigen. Hielscher-Ultraschallreaktoren sind für eine einfache Skalierbarkeit ausgelegt, um höhere Produktionsmengen bei gleichbleibender Prozesseffizienz zu ermöglichen.
  • Wartung und Reinigungsfähigkeit: Die sonochemischen Reaktoren von Hielscher sind sehr robust und auf einfache Wartung, Inspektion und Reinigung ausgelegt. Glatte Innenflächen, zugängliche und schnell lösbare Anschlüsse sowie eine gute Entleerbarkeit und die Clean-in-Place (CIP)-Funktion tragen dazu bei, Ausfallzeiten zu minimieren und die Hygiene zu gewährleisten.
  • Kompatibilität und Korrosionsbeständigkeit: Unter Berücksichtigung der Kompatibilität der Reaktormaterialien mit der zu verarbeitenden Flüssigkeit bietet Hielscher maßgeschneiderte sonochemische Reaktoren an. Die chemische Verträglichkeit ist entscheidend, um Korrosion, Kontamination oder unerwünschte Reaktionen zu vermeiden.
  • Prozessüberwachung und -steuerung: Eingebaute Druck- und Temperatursensoren, einstellbare Vorschub- und Durchflussgeschwindigkeiten und entsprechende Überwachungseinrichtungen sowie die automatische Datenprotokollierung der Ultraschall-Prozessbedingungen liefern Echtzeitdaten zu kritischen Prozessparametern. Diese Informationen ermöglichen höchste Prozesskontrolle, Optimierung und Standardisierung.
  • Integration in die Prozessausrüstung: Hielscher-Ultraschallreaktoren lassen sich einfach und komfortabel in das Gesamtsystem der Flüssigkeitsverarbeitung integrieren. Kompatibilität und korrekte Verbindungen mit vor- und nachgeschalteten Geräten wie Pumpen, Filtern, Wärmetauschern und Produktsammel-/Speichereinheiten lassen sich leicht realisieren und nachträglich an Änderungen in der Produktionslinie anpassen.
    • Hielscher UIP4000hdT Inline-Ultraschallgerät mit Durchflusszelle für Inline-Homogenisierungs- und Mischprozesse

    Industrieller 4kW-Ultraschall-Homogenisator UIP4000hdT mit Durchflussreaktor zum Inline-Mischen und Homogenisieren

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    Sonicatoren und sonochemische Reaktoren für Inline-Flow-Prozesse

    Hielscher Ultrasonics bietet Hochleistungssonicatoren und Ultraschallreaktoren für die Flüssigkeitsverarbeitung in jeder Größenordnung.

    Design, Herstellung und Beratung – Qualität Made in Germany

    Der Ultraschall-Durchflussreaktor erfüllt die Industriestandards für großvolumige Prozesse, wie Mischen, Dispergieren, Homogenisieren, Emulgieren und chemische Reaktionen.Hielscher Sonikatoren und sonochemische Reaktoren sind bekannt für höchste Qualität und Designstandards. Robustheit und einfache Bedienung ermöglichen die reibungslose Integration unserer Sonicators und Ultraschall-Durchflusszellen in industrielle Anlagen. Raue Bedingungen und anspruchsvolle Umgebungen werden von Hielscher-Sonicatoren problemlos gemeistert.

    Hielscher Ultrasonics ist ein ISO-zertifiziertes Unternehmen und legt großen Wert darauf, Hochleistungs-Ultraschallgeräte zu entwickeln und zu produzieren, die sich durch modernste Technik und Benutzerfreundlichkeit auszeichnen. Selbstverständlich sind Hielscher Ultraschallgeräte CE-konform und erfüllen die Anforderungen von UL, CSA und RoHs.
     
    In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallhomogenisatoren:

    Batch-VolumenDurchflussEmpfohlenes Ultraschallgerät
    0,5 bis 1,5 mln.a.VialTweeter
    1 bis 500ml10 bis 200ml/minUP100H
    10 bis 2000ml20 bis 400ml/minUP200Ht, UP400St
    0.1 bis 20l0,2 bis 4l/minUIP2000hdT
    10 bis 100l2 bis 10l/minUIP4000hdT
    15 bis 150 Liter3 bis 15 l/minUIP6000hdT
    n.a.10 bis 100l/minUIP16000
    n.a.größereCluster aus UIP16000

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    Ultraschall-High-Shear-Homogenisatoren werden im Labor, Technikum, in der Pilotanlage sowie in der industriellen Produktion eingesetzt. Die Ultraschallbehandlung ist hocheffizient bei der Herstellung von langzeitstabilen Nanoemulsionen.

    Hielscher Ultrasonics stellt Hochleistungs-Ultraschallhomogenisatoren für Mischanwendungen, Dispergierung, Emulgierung und Extraktion im Labor-, Pilot- und Industriemaßstab her.

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    Literatur / Literaturhinweise

    Hochleistungs-Ultraschall! Die Produktpalette von Hielscher deckt das gesamte Spektrum vom kompakten Labor-Ultraschallgerät über Bench-top-Homogenisatoren bis hin zu vollindustriellen Ultraschallsystemen ab.

    Hielscher Ultrasonics fertigt Hochleistungs-Ultraschall-Homogenisatoren vom Labor bis zum voll-kommerziellen Industriemaßstab.

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