Ultraschall-Durchflussreaktoren – Konstruktion, Anwendungen und Vorteile

Ultraschallreaktoren ermöglichen die kontinuierliche Inline-Behandlung von Flüssigkeiten und Suspensionen mit leistungsstarken Ultraschallwellen. Ultraschallreaktoren werden zur Homogenisierung, zum Mischen, Emulgieren, Dispergieren, Extrahieren, zum Zellaufschluss, Pasteurisieren, Entgasen, Lösen sowie zur Intensivierung chemischer Reaktionen wie Synthese oder Katalyse eingesetzt. Erfahren Sie mehr über die Ultraschallreaktortechnologie und darüber, wie Ihr Prozess von der Ultraschallbehandlung profitieren kann!

Wofür werden Durchflusszellen bei Ultraschallprozessen eingesetzt?

Eine Durchflusszelle, auch als Durchströmungszelle oder Durchflussreaktor bezeichnet, ist eine Vorrichtung, die in verschiedenen wissenschaftlichen und technischen Anwendungen kontinuierliche Durchflussprozesse ermöglicht. Durchflusszellen werden häufig bei Ultraschallprozessen eingesetzt, insbesondere wenn große Volumina mit Leistungsultraschall behandelt werden. Eine Ultraschall-Durchflusszelle oder ein sonochemischer Reaktor ist eine spezielle Kammer oder Zelle, durch die eine Flüssigkeit oder Suspensionen strömen können, während sie mit Ultraschall behandelt werden.

Durchflusszellen werden häufig in Bereichen wie Mischen und Homogenisieren, Chemie, Biologie, Elektrochemie und Biotechnologie eingesetzt. Sie bieten gegenüber Chargenprozessen mehrere Vorteile, darunter eine gleichmäßigere Beschallung, verbesserte Steuerungsmöglichkeiten, eine verbesserte Reaktionskinetik, einen effizienten Stofftransport und die Möglichkeit, die Ultraschallbehandlung effizient in einen Inline-Produktionsprozess zu integrieren.

Industrieller Ultraschallhomogenisator mit Durchflusszellenreaktor

Der MultiSonoReactor MSR-4 ist ein industrieller Inline-Homogenisierungsreaktor zur industriellen Flüssigkeitshomogenisierung mit hohen Durchsätzen.

Anwendungen für Ultraschall-Durchflusszellen und sonochemische Reaktoren

Ultraschallreaktoren von Hielscher können für eine Vielzahl chemischer Reaktionen nützlich sein, an denen Flüssig-Fest-, Flüssig-Flüssig- oder Flüssig-Gas-Grenzflächen beteiligt sind. Beispiele für Reaktionen, die durch den Einsatz von Ultraschallreaktoren verbessert werden können, sind:

Homogenisierung von Emulsionen: Ultraschallreaktoren können dazu beitragen, Partikel in Emulsionen zu zerkleinern und zu dispergieren, wodurch stabilere und gleichmäßigere Produkte entstehen.
Kristallisation: Ultraschallbestrahlung kann die Kristallisation in Lösungen auslösen, wodurch kleine, gleichmäßige Kristalle mit hoher Reinheit entstehen.
Entgasung: Ultraschallbestrahlung kann eingesetzt werden, um gelöste Gase aus Flüssigkeiten zu entfernen, was die Qualität und Stabilität von Produkten verbessern kann.
Extraktion: Ultraschallreaktoren können die Effizienz von Extraktionsprozessen steigern, indem sie die Diffusion gelöster Stoffe durch Membranen oder über Grenzflächen hinweg fördern.
Polymerisation: Ultraschallbestrahlung kann die Initiierung und das Kettenwachstum bei Polymerisationsreaktionen fördern, was zu höheren Reaktionsgeschwindigkeiten und höheren Molekulargewichten führt.
Synthese von Nanopartikeln: Ultraschallreaktoren können zur Synthese von Nanopartikeln mit kontrollierter Größe, Form und Oberflächeneigenschaften eingesetzt werden.
Sonokatalyse: Ultraschallbestrahlung kann die katalytische Aktivität bestimmter Materialien erhöhen, was zu höheren Reaktionsgeschwindigkeiten und einer verbesserten Selektivität führt.

Ultraschallgerät UIP6000hdT mit Ultraschall-Durchflusszellenreaktor und Schallschutzschrank für industrielle Prozesse mit hohem Durchsatz.

Das industrielle Ultraschallgerät UIP6000hdT mit Ultraschall-Durchflusszellenreaktor und Schallschutzschrank.

Kavitationsbedingter Farbumschlag mit dem Ultraschallgerät UP400St

Durchdachte Konstruktion von Ultraschallreaktoren für überlegene Prozessergebnisse

Bei Inline-Reaktoren für die Flüssigkeitsverarbeitung sollten mehrere wichtige Faktoren berücksichtigt werden. Ultraschallreaktoren von Hielscher werden konstruiert und gefertigt. Diese Faktoren können je nach Anwendung und Anforderungen variieren, doch die folgenden Aspekte sind relevant:

Reaktorkonstruktion: Die Konstruktion des Reaktors selbst ist einer der einflussreichsten Faktoren für eine erfolgreiche Inline-Ultraschallverarbeitung. Faktoren wie Größe, Geometrie, Position der Sonotrode und Konstruktionsmaterial müssen berücksichtigt werden, um die Verträglichkeit mit der zu beschallenden Flüssigkeit sowie die gewünschten Reaktionsbedingungen (z. B. Ultraschallintensität, Temperatur, Druck) sicherzustellen.

Mischen und Rühren: Die Ultraschallbehandlung ermöglicht eine hocheffiziente Mikromischung. Bei größeren Tankreaktoren können zusätzliches Mischen und Rühren vorteilhaft sein, um eine gute Makromischung zu erzielen. Ein Flügelmischer oder ein Rührorgan trägt zu einem optimalen Stofftransport bei, da das gesamte Material in die Ultraschall-Kavitationszone bewegt wird. Daher ermöglicht die Reaktorkonstruktion von Hielscher die Integration von Makromischern wie Rührorganen oder Rührwerken.

Verweilzeit: Die Verweilzeit im sonochemischen Reaktor, also die Zeit, die die Flüssigkeit im Reaktor verbringt, ist ein entscheidender Parameter: Sie ist die Zeit, während der das Material Ultraschallschwingungen, Kavitation und Scherkräften ausgesetzt ist. Sie beeinflusst das Ausmaß der Reaktion und die Produktivität des Prozesses. Ultraschallreaktoren von Hielscher sind so konstruiert, dass sich die gewünschte Verweilzeit einfach und zuverlässig steuern und einstellen lässt, während ein geeigneter Volumenstrom aufrechterhalten wird.

Temperaturregelung: Für viele Materialien und Reaktionen ist eine präzise Temperaturregelung unerlässlich. Daher sind Ultraschallreaktoren von Hielscher mit Vorrichtungen zur Regelung und Aufrechterhaltung der gewünschten Temperatur ausgestattet. Dies wird durch verschiedene Maßnahmen erreicht, etwa durch eine Temperierummantelung oder externe Heiz- und Kühlsysteme.

Druckregelung: Einige Reaktionen profitieren von bestimmten Druckbedingungen. Im Allgemeinen werden die Effekte der Ultraschallbehandlung bei erhöhtem Druck verstärkt. Der Reaktor sollte im gewünschten Druckbereich sicher und effektiv betrieben werden können. Selbstverständlich bietet Hielscher für seine Ultraschallreaktoren Vorrichtungen zur Druckregelung wie Druckentlastungsventile oder Druckregler an.

Sicherheitsaspekte: Einfache Bedienung und Sicherheit sind bei der Reaktorkonstruktion von größter Bedeutung. Entsprechend industriellen Standards und höchsten Sicherheitsanforderungen werden Ultraschallreaktoren von Hielscher mit geeigneten Sicherheitsfunktionen konstruiert und betrieben, etwa mit Druckentlastungsventilen, Systemen zur Druck- und Temperaturüberwachung, automatischer Datenaufzeichnung und bei Bedarf Möglichkeiten zur Inertgasspülung.

Potenzial zur Maßstabsvergrößerung: Wenn der Bedarf an Flüssigkeitsverarbeitung voraussichtlich künftig zunimmt, ist es wichtig, das Potenzial zur Maßstabsvergrößerung des Reaktors zu berücksichtigen. Ultraschallreaktoren von Hielscher sind für eine einfache Maßstabsvergrößerung ausgelegt, um höhere Produktionsvolumina bei gleichbleibender Prozesseffizienz zu ermöglichen.

Wartung und Reinigbarkeit: Sonochemische Reaktoren von Hielscher sind sehr robust und für eine einfache Wartung, Inspektion und Reinigung ausgelegt. Glatte Innenflächen, zugängliche und schnell demontierbare Anschlüsse sowie eine gute Entleerbarkeit und die Clean-in-Place-Funktion (CIP) tragen dazu bei, Stillstandszeiten zu minimieren und eine ordnungsgemäße Hygiene sicherzustellen.

Verträglichkeit und Korrosionsbeständigkeit: Unter Berücksichtigung der Verträglichkeit der Reaktormaterialien mit der zu verarbeitenden Flüssigkeit bietet Hielscher maßgeschneiderte sonochemische Reaktoren an. Die chemische Verträglichkeit ist entscheidend, um Korrosion, Verunreinigungen oder unerwünschte Reaktionen zu verhindern.

Prozessüberwachung und -steuerung: Integrierte Druck- und Temperatursensoren, eine einstellbare Zufuhr und Durchströmungsgeschwindigkeit sowie zugehörige Überwachungsvorrichtungen und die automatische Datenprotokollierung der Ultraschall-Prozessbedingungen liefern Echtzeitdaten zu entscheidenden Prozessparametern. Diese Informationen ermöglichen ein Höchstmaß an Prozesskontrolle, Optimierung und Standardisierung.

Integration in die Prozessanlage: Ultraschallreaktoren von Hielscher lassen sich einfach und bequem in das gesamte Flüssigkeitsverarbeitungssystem integrieren. Die Kompatibilität und geeignete Anschlüsse zu vor- und nachgeschalteten Anlagenkomponenten wie Pumpen, Filtern, Wärmetauschern sowie Produktsammel- und Lagereinheiten lassen sich einfach realisieren und anschließend an Änderungen in der Produktionslinie anpassen.

Inline-Ultraschallgerät UIP4000hdT von Hielscher mit Durchflusszelle für Inline-Homogenisierungs- und Mischprozesse

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

Ultraschallgeräte und sonochemische Reaktoren für Inline-Durchflussprozesse

Hielscher Ultrasonics bietet leistungsstarke Ultraschallgeräte und Ultraschallreaktoren für die Flüssigkeitsverarbeitung in jeder Größenordnung an.

Konstruktion, Fertigung und Beratung – Qualität Made in Germany

Ultraschallgeräte und sonochemische Reaktoren von Hielscher sind für ihre höchsten Qualitäts- und Konstruktionsstandards bekannt. Robustheit und einfache Bedienung ermöglichen die reibungslose Integration unserer Ultraschallgeräte und Ultraschall-Durchflusszellen in industrielle Anlagen. Ultraschallgeräte von Hielscher bewältigen raue Bedingungen und anspruchsvolle Umgebungen problemlos.

Hielscher Ultrasonics ist ein ISO-zertifiziertes Unternehmen und legt besonderen Wert auf leistungsstarke Ultraschallgeräte mit modernster Technologie und hoher Benutzerfreundlichkeit. Selbstverständlich sind Ultraschallgeräte von Hielscher CE-konform und erfüllen die Anforderungen von UL, CSA und RoHs.

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

Chargenvolumen	Volumenstrom	Empfohlene Geräte
0,5 bis 1,5mL	n.a.	VialTweeter
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
15 bis 150L	3 bis 15L/min	UIP6000hdT
n.a.	10 bis 100L/min	UIP16000
n.a.	höher	Verbund aus UIP16000

Kontaktieren Sie uns! / Fragen Sie uns!

Ultraschallhomogenisatoren mit hohen Scherkräften werden für die Verarbeitung im Labor, mit Tischgeräten sowie im Pilot- und Industriemaßstab eingesetzt.

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

Literatur / Quellen

Barrera-Salgado, Karen; Ramírez-Robledo, Gabriela; Alvarez-Gallegos, Alberto; Arellano, Carlos; Sierra, Fernando; Perez, J. A.; Silva Martínez, Susana (2016): Fenton Process Coupled to Ultrasound and UV Light Irradiation for the Oxidation of a Model Pollutant. Journal of Chemistry, 2016. 1-7.
Han N.S., Basri M., Abd Rahman M.B. Abd Rahman R.N., Salleh A.B., Ismail Z. (2012): Preparation of emulsions by rotor-stator homogenizer and ultrasonic cavitation for the cosmeceutical industry. Journal of Cosmetic Science Sep-Oct; 63(5), 2012. 333-44.
Antonia Tamborrino, Agnese Taticchi, Roberto Romaniello, Claudio Perone, Sonia Esposto, Alessandro Leone, Maurizio Servili (2021): Assessment of the olive oil extraction plant layout implementing a high-power ultrasound machine. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 73, 2021.

Leistungsstarker Ultraschall! Die Produktpalette von Hielscher deckt das gesamte Spektrum vom kompakten Labor-Ultraschallgerät über Tischgeräte bis hin zu Ultraschallsystemen für den vollindustriellen Einsatz ab.

Hielscher Ultrasonics stellt leistungsstarke Ultraschallhomogenisatoren vom Labormaßstab bis zum Industriemaßstab her.

Ultraschall-Durchflussreaktoren – Konstruktion, Anwendungen und Vorteile

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