Ultraschall-Homogenisatoren für Flüssigkeits-Prozesse

Während Tankrührer leicht-mischbare Flüssigkeiten von ähnlicher Viskosität mischen können, erfordern Flüssigkeiten mit unterschiedlicher Viskosität oder mehrere viskose Flüssigkeiten hohe mechanische Scherkräfte für eine schnelle und vollständige Vermischung. Unsere Ultraschallgeräte können problemlos zwei oder mehrere Flüssigkeiten inline mischen. Dazu werden die Flüssigkeiten kurz vor der Ultraschalldurchflusszelle zusammengeführt. Lesen Sie mehr über das Mischen!

Hielscher Ultraschall-Homogenisatoren sind äußerst effektiv bei der Herstellung kleiner gleichmäßiger Partikelgrößen – sowohl bei der Verarbeitung von Pulver/ Flüssigkeit oder Flüssigkeit/ Flüssigkeit-Formulierungen. Die hohen hydraulischen Ultraschall-Scherkräfte brechen Agglomerate, Tropfen und Zellgewebe in kleinere Fragmente und erzeugen eine gleichmäßige feine Produkt-Größe. Unser Programm an Homogenisatoren bietet das passende Gerät für jegliche Volumina - vom Laborgefäß bis zur Massenproduktion. Lesen Sie mehr über das Homogenisieren!

Pulver in Flüssigkeiten neigen dazu, Agglomerate zu bilden. Die entstehenden Klumpen sind größere Agglomerate, deren Kern von anderen Partikeln umgeben ist, so dass das Innere des Klumpens nicht benetzt wird. Solche Agglomerate sind mit herkömmlichen Rühren kaum zu dispergieren. Durch Ultra‐ schallkavitation erzeugte hohe Scherkräfte sind die Lösung für anspruchsvolle Desagglomerations- Prozesse. Hielscher Ultraschallprozessoren stellen agglomerat-freie Mischungen her, in denen die einzelnen Partikel gleichmäßig verteilt sind. Lesen Sie mehr über Desagglomeration!

Für fast jedes Produkt ist es wichtig, dass die Partikel voneinander getrennt sind, um die Partikeloberfläche zu vergrößern und um eine gleichmäßige Verteilung zu erreichen. Gleichmäßige Dispersionen kann mittels Hochleistungssultraschall erreicht werden. Hielscher Ultraschallgeräte werden häufig für die Herstellung von Feinstdispersionen im Mikrometer- und Nanometer-Bereich verwendet. Lesen Sie mehr über das Dispergieren!

Beim Vermischen von nicht-mischbaren Flüssigkeiten zu einer Emulsion, sind die Tröpfchengröße und deren Verteilung die wichtigsten Faktoren für die Stabilität der Emulsion. Mittels Ultraschall können sehr feine Tröpfchen mit sehr enger Größenverteilung erzeugt werden. Sowohl bei der Beschallung im Batch als auch inline in einem Durchflussreaktor erreichen unsere Ultraschallmischer in den meisten Fällen Tröpfchen im nano-skaligen Bereich,. Im Gegensatz zu Hochdruckhomogenisatoren emulgieren die hohe Scherkräfte, die unsere Ultraschallgeräte erzeugen, auch hochviskose Flüssigkeiten wie z.B. Schweröl. Einigen Formulierungen erfordern der Zusatz von Emulgatoren oder Stabilisatoren. In diesem Fall hilft Ultraschall, den Emulgator gleichmäßig einzumischen. Lesen Sie mehr über das Emulgieren!

Ultraschall ist eine zuverlässige Technik, für das Lösen von Proben. Der Eintrag von Hochleistungs-Ultraschallwellen verursacht mechanische Bewegung und Kavitation, wodurch der Löseprozess unterstützt wird. Ultraschall vereinfacht und beschleunigt die Probenvorbereitung, wie z.B. Lösen und Auswaschen vor der Analyse. Durch einen ultraschall-gestützten Löseprozess ist es möglich, Stoffe in hoher Konzentration zu lösen und damit effizient und schnell eine konzentrierte oder gesättigte (oder übersättigte) Lösung herzustellen. Lesen Sie mehr über das ultraschall-gestützte Lösen!

Die Partikelgröße ist das wesentliche Merkmal, welches über die Qualität einer Formulierung entscheidet. Eine Veränderung der Partikelgröße beeinflusst die Eigenschaften und das Verhalten der Teilchen, so dass diese dadurch den Anforderungen angepasst werden können. Die vollständige Kontrolle über alle Prozessparameter machen Hielscher Ultraschallgeräte zum idealen Werkzeug, um uniforme Partikel mit den erwünschten Eigenschaften zu produzieren. Durch Erhöhen der Beschallungsintensität kann Ultraschall auch zur Desagglomerierung und zum Mahlen eingesetzt werden. Lesen Sie mehr über Partikelgrößenreduktion!

Partikel-Oberflächenreinigung

Die Oberfläche von Feststoffkatalysatoren ist die Fläche, welche für die Aktivität des Katalysators entscheidend ist. Während katalytischer Reaktionen können Katalysatorenpartikel durch Ablagerungen verschmutzt werden. Dies bedeutet sinkende Aktivität und verkürzte Lebensdauer des Katalysators. Da Katalysatoren häufig teuer sind, ist die Aufbereitung und Reaktivierung von Katalysatoren eine Anwendung, die viel Geld sparen kann. Die ultraschall-gestützte Reaktivierung von Katalysatoren ist ein einfacher Prozess, welcher nur wenig Energie benötigt. Durch Ultraschallkavitation und die dadurch erzeugten interpartikulären Kollisionen werden Ablagerungen auf der Partikeloberfläche aufgebrochen und durch die Turbulenzen in der Flüssigkeit weggespült. Neben der Oberflächen-Reinigung und Reaktivierung des Katalysators unterstützt Ultraschall auch das Dispergieren des Katalysators in der Reaktionslösung, so dass die Katalysatoroberfläche für die Reaktanten vollständig nutzbar ist. Dies führt zur Einsparung von Katalysator sowie zu einer schnelleren und vollständigeren Reaktion.

Rühren

Rühren ist ein häufig unterschätzter Prozess und erfordert zuverlässige Geräte, insbesondere bei erhöhten Viskositäten und Volumina. Die Leistungsfähigkeit konventioneller Agitatoren, wie Schaufelmischer oder Rotor-Stator-Mischer, werden von verschiedenen Faktoren wie Viskosität und Skalierbarkeit eingeschränkt. Daher sind Hochleistungs-Ultraschallgeräte die richtige Wahl für Ihre Mischanwendung, da sie sich durch höheren Durchsatz, Zeitersparnis, geringere Betriebskosten, sicheren Betrieb (keine beweglichen Teile) und einfache Wartung auszeichnen.

Hydrieren

Pulver in Flüssigkeiten neigen dazu, Agglomerate zu bilden. Klumpenbildung ist unerwünscht, da nicht die ganze Oberfläche mit Flüssigkeit benetzt wird und das Ergebnis ein ungleichmäßiges Produkt ist. Um die unerwünschte Bildung von Klumpen, sogennannter „Fish eyes“ (teilweise hydriertes Pulver mit trockenem Pulver-Kern) zu vermeiden, ist Hochleistungs-Ultraschall eine effiziente Technologie, da die einzelnen Partikel zuverlässig dispergiert und desagglomeratiert werden. Desweiteren sind die sonochemischen Effekte dafür bekannt, die Partikeloberflächen zu aktivieren, was zu höherer Reaktivität und verbesserter Produktqualität führt.

Probenvorbereitung

Für analytische Messverfahren (z. B. HPLC, Atom-Spektrometer, etc.) müssen Proben meist in flüssigem Zustand vorliegen. Wenn die Probe löslich ist, kann die Substanz (wie Sucralose, Salze, in Pulver- oder Tablettenform) in einem Lösungsmittel gelöst werden (z.B. in Wasser, wässrigen oder organischen Lösungsmitteln usw.), so dass ein homogenes Gemisch mit einer einzelnen Phase entsteht. Lösen durch manuelles oder mechanisches Rühren ist ein zeitaufwendiges und ineffizientes Verfahren. Weitere Probleme sind Probenverluste aufgrund von Manipulationen oder fehlender Reproduzierbarkeit durch Fehler und ungleichmäßige Durchmischung. Unsere Ultraschall-Geräte bieten ein schnelles, vollständiges und gleichmäßiges Lösen Ihrer Proben, so dass die Ergebnisse vollständig reproduzierbar sind. Hielscher erleichtert die tägliche Probenvorbereitung!

Chemische Aktivierung

Um eine chemische Reaktion zu initiieren, ist Energie erforderlich. Die sogenannte Aktivierungsener‐ gie ist die Menge an Energie benötigt, um eine Reaktion zu initiieren und spontan weitermachen. Durch die Eingabe des Ultraschallenergie kann Chemikalien Reaktion initiiert werden, wie freie Radi‐ kale entstehen und attraktive Kräfte überwunden werden. Typische chemische Reaktionen, die von Ultraschall profitieren sind (z.B. Sono-Katalyse, Phase-Transfer-Katalyse), synthetische organische Reaktionen, Sonolysis sowie Sol-Gel-Routen. Darüber hinaus werden durch die Ultraschallkräfte hochreaktive Oberflächen erzeugt - wodurch die Aktivität von Katalysatoren deutlich gesteigert wird.

Viskositätsabsenkung

Das Phänomen abnehmender Viskosität unter Eintrag von Scherkräften wird Scherverdünnung oder Thixotropie bezeichnet. Eine Verringerung der Viskosität ist von besonderer Bedeutung, wenn der Partikelgehalt des Mediums erhöht werden soll. Um eine höhere Feststoffkonzentration zu erzeugen, muss im ersten Schritt die Viskosität gesenkt werden. Nach der Reduktion der Viskosität können Feststoffe bzw. Pulver zugesetzt werden und im Medium dispergiert werden. Die durch Hochleistungs-Ultraschall erzeugte Scherung resultiert in Viskositätsreduktion durch Scherverdünnung und in hervorragender Dispergierung der zugesetzten Partikel. Diese Anwendung wird häufig vor der Sprühtrocknung oder dem Spray-Freezing integriert, um die Kapazität des Sprühprozesses zu erhöhen oder um die Rheologie von thixotropem Material zu beeinflussen, wie z.B. von Polymeren.

Nass-Mahlen

Die Partikel-Vermahlung und -Zerkleinerung zählen in vielen Industriebranchen wie z.B. bei der Herstellung von Farben & Lacken, Inkjet-Tinte & Druckfarben, Chemikalien oder Kosmetik zu den Prozessen, welche die Produktqualität massgeblich beeinflussen. Die ultraschall-gestützte Vermahlung ist bewiesenermaßen ein äußerst zuverlässiges Mahl- und Dispersionsverfahren für Mikron- und Nanopartikel. Der unschlagbare Vorteil der Ultraschallvermahlung gegenüber Perl-, Kugel- und Sandmühlen liegt darin, dass beim Ultraschallmahlen keinerlei Mahlhilfskörper Mahlmedium (z.B. Kugeln / Perlen) verwendet werden, welche das Endprodukt durch ihren Abrieb verunreinigen. Die Ultraschallverfahren basiert auf der interpartikulären Kollision – das bedeutet die zu vermahlenden Partikel dienen als Mahlhilfskörper. Daher ist die aufwändige Reinigung des Mahlguts und der Mahlkörper kein Problem. Auch hochviskose und großvolumige Medien können mittels Ultraschall problemlos zu einem qualitativ hochwertigen Produkt verarbeitet werden. Für die Integration in die industrielle Prozesslinie liefert Hielscher die passende Lösung: Cluster-Systeme, einfache Integration / Nachrüstung, niedriger Wartungsaufwand, einfache Bedienung und hohe Zuverlässigkeit gehören zu den Vorteilen der Hielscher Ultraschallanlagen. Lesen Sie hier mehr über das ultraschall-gestützte Nass-Mahlen!

Extraktion und Lysis von Zellen

Zellaufschluss und Lyse sind Teil der täglichen Probenvorbereitung in Biotech-Labors. Das Ziel der Lyse ist es, Teile der Zellwand oder die komplette Zelle zu zerstören, um biologische Moleküle zu extrahieren. Das so genannte Lysat besteht z.B. aus Plasmid, Rezeptor-Assays, Proteinen, DNA, RNA etc. Nachfolgende Schritte der Lyse sind Fraktionierung, Isolierung von Organellen und/oder die Extraktion und Aufreinigung von Proteinen. Das extrahierte Material (= Lysat) muss abgetrennt werden und wird dann für weitere Untersuchungen oder Anwendungen, z.B. in der Proteomforschung verwendet. Der Zellaufschluss mit Ultraschallhomogenisatoren sind ein gängiges Verfahren für die erfolgreiche Lyse und Extraktion. Die Intensität des Ultraschalls kann durch das Anpassen der Prozessparameter und die optimale Einstellung der Ultraschallamplitude und Beschallungsdauer sehr genau eingestellt und reguliert werden – wodurch eine sehr milde oder sehr intensive Beschallung möglich ist – individuell einstellbar für das jeweilige Probenmaterial und -volumen. Lesen Sie mehr über den ultraschall-gestützten Zellaufschluss und Extraktion!

Mikrobeninaktivierung

Die Inaktivierung von Mikroben ist ein Schlüsselprozess bei der Lebensmittelverarbeitung. Aufgrund der steigenden Nachfrage nach frischen, mild verarbeiteten Lebensmitteln, versucht die Industrie die thermische Konservierung durch mildere Verarbeitungsmethoden zu ersetzen. Ultraschall ist ein nicht-thermisches Verfahren, bei dem die Mikroorganismen bei subletalen Temperaturen inaktiviert werden, wodurch die sensorischen, ernährungsphysiologischen und funktionellen Eigenschaften der Lebensmittel besser erhalten bleiben. Da Mikroorganismen die Hauptursache für den Verderb von Lebensmitteln zählen, muss der Konservierungsprozess darauf abgestimmt werden. Der Vorteil der ultraschall-gestützten Mikrobeninaktivierung ist die volle Kontrolle über die Beschallungsintensität und damit die Möglichkeit der Abstimmung auf bestimmte Mikrobenarten und das Endprodukt. Lesen Sie mehr über die ultraschall-gestützte Mikrobeninaktivierung!

Entgasen und Entlüften

in vielen flüssigen Produkten verursachen gelöste Gase, wie z.B. Luft, Sauerstoff oder Kohlendioxid, Probleme in nachgelagerten Prozessstufen oder beeinträchtigen die Produktqualität. Gelöstes Gas kann zu Korrosion, Schaumbildung, Bildung von Mikroblasen oder mikrobiellem Wachstum führen.
Durch die Beschallung mit Ultraschall wird das gelöste Gas in das Vakuum des Kavitationsblasen (Vakuum-Entgasung) aufgenommen. Die Gasblasen wachsen an, schweben anschließend nach oben und können dann entfernt werden. Mittels Ultraschallentgasung kann der Gasgehalt einer Flüssigkeit kann schnell unter das natürlichen Gleichgewicht bei atmosphärischem Druck abgesenkt werden. Lesen Sie hier mehr über die ultraschall-gestützte Entgasung!

Entfernen von Mikroblasen

Mikroblasen in Flüssigkeiten und Slurries verursachen in zahlreichen Produkten erhebliche Qualitätsprobleme, da solche Blasen zu Produktunreinheit, Wachstum von Mikroorganismen, Trübungen, mechanischer Instabilität oder ungleichmäßigen Druckergebnissen (z.B. bei gashaltiger Inkjet-Tinte) führt. Ultraschallwellen, die in die Flüssigkeit eingetragen werden, lassen die kleinen Gasblasen zu größeren Blasen zusammenwachsen, welche dann nach oben schwimmen und dort entfernt werden können. Durch die Ultraschallschwingungen können sich die Blasen leichter in der Flüssigkeit, z.B. Wasser, Öl oder Harz, bewegen, wodurch ein schnelleres und vollständigeres Entgasungs-/Entlüftungsergebnis erzielt wird. Lesen Sie mehr über das ultraschall-gestützte Entfernen von Mikroblasen!

Entschäumen

In vielen industriellen Prozessen, z.B. bei der Vergärung, Fermentierung oder chemischen Prozessen, bedeutet die Schaumbildung große Probleme, da die Prozesssteuerung dadurch stark beeinträchtigt wird. Schaum ist meistens eine unerwünschte Nebenerscheinung, welche entfernt werden muss. Häufig verwendete Anti-Schaum-Chemikalien sind teuer und verunreinigen das Endprodukt. Im Gegensatz dazu brechen hochintensive Ultraschallwellen (Sono-Entschäumung) den Schaum komplett ohne Verunreinigung des Produktes. Die Zerstörung des Schaums ist eine milde, energiesparenden Ultraschallanwendung. Speziell entwickelte platten-förmige Sonotroden erzeugen mit hohen Amplituden luftgetragene Wellen, welche die Blasen im Schaum destabilisieren, und sie somit reduzieren. Die vollständige Entschäumung kann mit Ultraschall innerhalb weniger Sekunden erreicht werden und hinterlässt keinerlei Rückstände. Lesen Sie hier mehr über ultraschall-gestützte Entschäumung!

Erhitzen

Obwohl das Erhitzen meist nicht der Hauptzweck des Ultraschalleinsatzes ist, so sollte dieser Nebeneffekt der Wärmeerzeugung im beschallten Medium nicht vernachlässigt werden. Das regulierbare Erwärmen / Erhitzen ist oftmals vorteilhaft, da viele Prozesse von einem Wärmeeintrag profitieren. Für zahlreiche Prozesse, wie z.B. die Konservierung oder chemische Reaktionen, wird die Ultraschall-Behandlung durch erhöhte Temperaturen bewusst unterstützt (Thermo-Beschallung). Bei der Verarbeitung von hitzeempfindlichen Materialien gewährleistet eine gezielte Kühlung während der Beschallung stabile Temperaturen. Hielscher bietet durch den Einsatz von Eisbädern, Durchflusszellen mit Kühlmantel und integrierten Wärmetauschern individuelle Lösungen für Ihr spezifisches Produkt.

Stabilisierung

Hochleistungs-Ultraschall unterstützt die mechanische sowie mikrobielle Stabilisierung. Durch ultraschall-erzeugte Scherkräfte wird eine extrem feine Homogenisierung und Durchmischung erreicht, so dass Bindungskräfte zwischen einzelnen Partikeln überwunden werden und eine mechanische Stabilisierung eintritt. Die Haltbarkeit der Stabilität hängt von der spezifischen Formulierung ab: einige Emulsionen und Dispersionen sind durch die sehr feine Homogenisierung selbst-stabilisierend, während andere Formulierungen durch die Zugabe von Stabilisatoren und Emulgatoren unterstützt werden müssen. Werden Stabilisatoren benötigt, ist Ultraschall eine sehr zuverlässige Methode, um den Stabilisator in die Formulierung einzubringen.
Für biologische Produkte und Lebensmittel wird mittels Ultraschall eine zuverlässige Mikrobeninaktivierung erzielt, um die Produktstabilität und Konservierung zu gewährleisten. Die ultraschall-gestützte mikrobielle Stabilisierung ist eine nicht-thermische Alternative der Konservierung, welche durch ihre effiziente mikrobielle Inaktivierung bei gleichzeitig nur milder Wärmeentwicklung überzeugt. Mit Ultraschall können nachweislich lebensmittelbedingten Krankheitserreger, wie z.B. E.coli, Salmonellen, Ascaris, Giargia, Cryptosporidium Zysten und Polioviren abgetötet werden.

Funktionalisierung von Partikeloberflächen

Die Struktur der Partikeloberfläche ist ausschlaggebend für seine Eigenschaften. Die relative spezifische Oberfläche eines Partikels nimmt mit abnehmender Partikelgröße zu. Dadurch werden mit einer + abnehmenden Partikelgröße die Oberflächeneigenschaften zunehmend prominenter – vor allem wenn es sich um Partikel im Nanobereich bewegt. Bei der Verwendung von Nanomaterialien sind die Oberflächeneigenschaften eines Partikels ebenso wichtig wie die Eigenschaften des Partikelkerns. Durch die Funktionalisierung von Nanomaterialien werden zahlreiche Anwendungen, z.B. bei der Herstellung von Polymeren, Nanofluiden, Biokompositen, Nanomedikamenten und Elektronik, möglich. Die Partikelgrößenreduktion, Deagglomeration und Funktionalisierung ist daher wesentliche Schritte in der Partikelverabreitung. Hielscher's Ultraschallgeräte sind weit verbreitet, um Mikro- und Nanopartikel zu mahlen, desagglomerieren, dispergieren und ihre Oberflächenstruktur zu modifizieren. Durch die Veränderung der Partikeloberfläche lässt sich u.a. eine unerwünschte Aggregation der Partikel vermeiden. In nachgelagerten Prozessstufen können die ultraschall-modifizierten Partikel beispielsweise mit Ultraschall in Komposite eingemischt werden, wodurch eine besonders homogene Verteilung innerhalb einer Matrix erzielt wird. Dies ist für industriell hergestellte Verbundwerkstoffe wichtig, um die Langzeitstabilität oder mechanischer Eigenschaften von Hybridmaterialien zu gewährleisten.

Erosionstests

Die Kavitationserosionsbeständigkeit ist ein wichtiger Test, um Materialien auf ihre Haltbarkeit und Lebensdauer zu untersuchen. Um die Funktionalität eines Materials zu gewährleisten, müssen seine Erosionsanfälligkeit sowie die Materialermüdung zum Zweck der Qualitätssicherung getestet werden. Die Erosionsbeständigkeit ist von hoher Relevanz für Materialien, die in anspruchsvollen Umgebungen eingesetzt werden, z.B. Schiffsschrauben, (Schiffs-) Beschichtungen, Pumpen, Motorkomponenten, Wasserturbinen, hydraulische Dynamometer, Ventile, Lager, Dieselmotor Zylinderlaufbuchsen, Tragflächen etc. Um Kavitationserosions-Tests gemäß ASTM Standard G32-92 durchzuführen, muss eine präszise steuerbare und reproduzierbare Ultraschallquelle unbedingt erforderlich. Hielscher Ultraschallgeräte können für die direkte und indirekte Kavitationserosions-Prüfung von Probenmaterial eingesetzt werden. Das gleiche Ultraschallgerät kann sowohl für direkte als auch indirekte Tests verwendet werden. Während der direkten Prüfung wird das Probenstück direkt an die Sonotrode montiert, während für den indirekten Erosionstest die Probe in einem Becherglas fixiert wird. Die Erosionstests können unter vollständig kontrollierbaren Umgebungsbedingungen und in fast jeder Flüssigkeit durchgeführt werden. Durch die Anpassung der Ultraschallintensität kann die Erosionsleistung an die spezifischen Testanforderungen angepasst werden. Lesen Sie hier mehr über die ultraschall-gestützte Durchführung von Kavitationserosions-Prüfungen!

Ultraschallreinigung von Draht, Kabel & kontinuierlichen Profilen

Endlosmaterialien wie Drähte, Kabel, Bänder, Stangen und Rohre müssen von Schmierstoffrückständen gereinigt werden, bevor sie in nachgelagerten Prozessen weiterverarbeitet werden können (z.B. in der Verzinkung, Extrusion oder Schweißen). Bei der Reinigung von kontinuierlichen Materialien handelt es sich oftmals um einen Engpass der Produktionslinie. Hielscher Ultrasonics bietet ein einzigartiges Ultraschall-Reinigungsverfahren zur effizienten Inline-Reinigung, welche auch hohe Durchlaufgeschwindigkeit verarbeiten kann. Die Wirkung der Ultraschallkavitation entfernt Schmierstoffrückstände wie z.B. Öle oder Fette, Seifen, Stearate oder Staub. Darüber hinaus werden die Schmutzpartikel in der Reinigungsflüssigkeit dispergiert. Dadurch wird eine erneute Anhaftung auf das gereinigte Material vermieden und die Schmutzpartikel werden weggespült. Vorteile der Ultraschallreinigung auf einen Blick: bewährt & zuverlässig, effizient, umweltfreundlich, geringere oder keine Verwendung von chemischen Reinigungsmitteln, Plug-&-Play, modulare Systeme, einfache Bedienung, geringe Wartung, 24/7 Betrieb, kleine Stellfläche, nachrüstbar und anpassbar. Lesen Sie hier mehr über die kontinuierliche Ultraschallreinigung Reinigung von Endlosmaterialien!

Sieben, Trennen, Filtrieren

Um Partikel nach Größenunterschieden zu trennen, muss das Sieb bzw. Siebgewebe angeregt werden. Ultraschall ist ein bewährtes Instrument fürs Sieben, welches die Durchsatzkapazität erhöht und Zeit spart, da das Pulver das Sieb schneller und vollständiger passiert. Das Ergebnis ist eine höherwertiges Endprodukt und weniger Materialverlust durch unvollständige Trennung - und das alles innerhalb einer kürzeren Bearbeitungszeit. Lesen Sie mehr zu Thema Ultraschall-Sieben!

Wasseraufbereitung

Die Kontrolle über Bakterien- und Algen-Wachstum in Wasser ist in vielen Branchen ein äußerst relevanter vor- oder nachgelagerter Prozess in der Produktion. Intensive Ultraschallwellen sind bekannt für Effekte wie Lyse, Extraktion und Zelltod sowie für Reinigung mittels mechanischer Kräfte.
Darüber hinaus können Tanks, Fässer, Schiffe und auch Filter durch eine einfache, aber effiziente Ultraschallbehandlung erfolgreich von Biofilmen, Rückständen und Ablagerungen gereinigt werden. Durch Ultraschall-generierte mechanische Schwingungen und Scherkräfte werden die Verunreinigungen entfernt. Reinigungsmittel sind nicht notwendig und die entfernten Rückstände werden einfach weggespült.

Nanomaterialien erregen die Aufmerksamkeit von Wissenschaftlern, Forschern und Ingenieuren in fast allen Branche, da Nano-Partikel einzigartige Eigenschaften aufweisen. Ihre physikalischen Eigenschaften, z. B. optische und magnetische Besonderheiten, spezifische Siede- und Schmelzpunkte sowie Oberflächenreaktivitäten bieten vielversprechende Ansatzpunkte für die Entwicklung innovativer Materialien mit außerordentlichen Funktionen. Allerdings gilt: je kleiner die Partikel, desto schwieriger wird ihre Behandlung. Hochleistungs-Ultraschall ist oftmals die einzige Methode, um Nano-Partikel effektiv zu bearbeiten. Leistungs-Ultraschall ermöglicht vielfältige Anwendungen in Materialchemie & -Forschung, Katalyse, Elektronik, Energie, sowie Biologie & Medizin.
Oft ist Ultraschall die einzig effektive Technologie um gewünschten Vermahlungs- und Dispergierungs-Ergebnisse von Nanopartikeln zu erreichen (z.B. Nanoröhren, Graphen, Nanodiamanten, Keramik, Metalloxide etc.). Außerdem ist die ultraschallgestützte Fällung oder sogenannte Bottom-up-Synthese eine effiziente Methode, um reine Nano-Kristalle mit einzigartiger Materialcharakteristik herzustellen. Besonders interessant sind metallische Nanopartikel, Legierungen und metallorganische Verbundstoffe, da Metalle für die Industrie von großer Bedeutung sind. Auch hier lassen sich durch Beschallung einzigartige Resultate erzielen, z.B. Zinn-beschichtete Aluminium- und Titan-Partikel.

Fällungsreaktionen (Bottom-Up-Synthese)

Die Fällung/ Präzipitation bzw. Bottom-up-Synthese beschreibt die kontrollierte Anordnung von Atomen, Molekülen und Ionen in größere chemische Verbindungen. Daher werden Fällungsreaktionen auch für die Reinigung von Produkten eingesetzt. Der Vorteil besteht darin, dass bei der Fällungsmethode kleinste Partikel von einheitlicher Partikel-/ Kristallgröße, Form und Morphologie entstehen. Für die Herstellung von Nano-Partikeln mit hoher Reinheit, ist die Präzipitation oft der einzige Weg, um Partikel mit der gewünschten Qualität zu erreichen. Da die Fällung eine sehr schnell ablaufende Reaktion ist, ist eine effiziente Durchmischung der Reaktionspartner unerlässlich. Ultraschall-Mischen ist der Schlüssel für eine gleichmäßige und feine Lösung. Hielscher liefert äußerst zuverlässige Ultraschall-Geräte, welche vollständige Kontrolle über die Prozessparameter und eine vollständige Reproduzierbarkeit garantieren. Lesen Sie mehr über Fällungsreaktionen!

Die Anwendungsbereiche von Ultraschall in der Chemie sind weit verzweigt: Materialsynthese, Analytik & Probenbestimmung, Biochemie, organische & anorganische Chemie, Neurochemie, Nuklearchemie so- wie Elektrochemie. Mittels Hochleistungs-Ultraschall können Reaktionen aufgrund der effektiven Homogenisierung und Dispergierung verbessert werden (z.B. bei Emulsionschemie, Phasen-Transfer-Katalyse PTC), Oberflächen aktiviert werden (z.B. Katalyse, Sol-Gel-Reaktionen durch den Eintrag der notwendigen kinetischen Energie oder durch das Übenwinden chemisch-physikalischer Kräfte (Zeta-Potential, Van- der-Waals-Kräfte, Ring-Öffnungs-Reaktionen) initiiert werden. Durch das Beschallen lassen sich einzigartige Ergebnisse erreichen.

Sono-Katalyse

Katalysatoren verbessern die Umwandlungsrate chemischer Reaktionen und werden benötigt, um eine Reaktion zu starten oder die Reaktion ablaufen zu lassen, bis eine vollständige Umwandlung erreicht wurde. Die Tatsache, dass katalytische Reaktionen oft langsam und unvollständig sind, kann durch Hochleistungs-Ultraschall geändert werden. Ultraschall unterstützt sowohl homogene und heterogene Katalysereaktionen und erzielt schnellere Umwandlungsraten und höhere Ausbeute. Ultraschall erzeugt hochreaktive Oberflächen und sorgt dadurch für verbesserte katalytische Aktivität. Obwohl Katalysatoren selbst nicht verbraucht werden, können Oberflächenablagerungen die Aktivität des Katalysators im Laufe der Zeit zu senken. Da Feststoff-Katalysatoren oft seltene und teure Metalle beinhalten, ist eine lange Katalysatoren-Lebensdauer ein wirtschaftlich wichtiger Aspekt. Ultraschall ist eine bewährte Methode, um Verschmutzung von der Oberfläche des Katalysators zu entfernen und diesen somit zu reaktivieren, so dass eine volle katalytische Aktivität gewährleistet ist. Lesen Sie mehr über die Sono-Katalyse!

Sono-Chemie

Sono-Chemie beschreibt die Auswirkungen von Ultraschall auf chemische Systeme. Sonochemie lässt sich grob in homogene Sonochemie von Flüssigkeiten, heterogene Sonochemie von Flüssig-Flüssig- oder Feststoff-Flüssig-Systemen und Sonokatalyse unterteilen. Akustische Kavitation und die daraus resultierende Bildung, Wachstum und Implosion von Kavitationsblasen verursachen sonochemische Effekte, welche chemische Reaktionen begünstigen. Chemische Reaktionen laufen oft langsam und unvollständig ab, so dass eine umfassendere Nutzung der Ausgangsstoffe wünschenswert ist. Hochenergetischer Ultraschall verursacht physikalische Effekte in Flüssigkeiten, welche z.B. in verbessertem Massetransfer, Emulgierung, Erwärmung (mikrokosmische Hot-Spots) und einer Vielzahl von Effekten auf die Feststoffe (Mahlen, Desagglomeration, Aktivierung der Oberfläche, Modifikation) resultieren. Diese physikalischen Effekte haben signifikante Auswirkungen auf chemische Reaktionen. Folglich beeinflusst Ultraschall zahlreiche chemische Reaktion wie z.B. die Katalyse, Synthese & Niederschlag, Sol-Gel-Routen, Emulsion Chemie und Polymerchemie. Hielscher Ultraschall Geräte sind ideal für sonochemische Anwendungen, da Hielscher-Systeme in der Lage sind, Lösungsmittel, Säuren, Laugen und Explosivstoffe zu behandeln (ATEX zertifiziertes Ultrasschallgerät UIP1000hd). Alle Systeme können für die Beschallung im Batch sowie inline verwendet werden. Ein umfangreiches Sortiment an Geräten und Zubehör ermöglichen die optimale Anpassung an den Prozess. Lesen Sie mehr über Sono-Chemie!

Sol-Gel-Prozesse

Ultrafeine Nanopartikel und sphärische Partikel, Dünnfilm-Beschichtungen, Fasern, poröse und dichte Materialien ebenso wie extrem poröse Aerogele und Xerogele sind äußerst wichtige Zusätze in der Entwicklung und Produktion von Hochleistungsmaterialien. Fortschrittliche Materialien, darunter z. B. Keramik, hochporöse, ultraleichte Aerogele und organisch-anorganischen Hybride können aus kollo‐ idalen Suspensionen oder Polymeren in einer Flüssigkeit mittels Sol-Gel-Verfahren synthetisiert wer‐ den. Das Material weist einzigartige Eigenschaften auf, da die erzeugten Sol-Teilchen im nano-skalige Größen aufweisen. Mittels Ultraschall-gestützter Sol-Gel-Prozesse können Gele mit kleinsten Parti‐ kelgrößen, großen Oberflächen und hohem Poren-Volumen (sog. Sono-Gele) hergestellt werden. Das breite Spektrum an Hielscher Ultraschallgeräten bietet die ideale Gerätekonfiguration für Ihre Anwen‐ dung, Material und Volumen. Lesen Sie mehr über Sol-Gel-Prozesse!

Chemische Degradierung

Das Recycling und der Abbau chemischer Abfälle sind ein schwerwiegendes Problem von industriel‐ len Prozessen wie dem Bergbau, der Chemikalienproduktion und Deponien. Abfälle und Schadstoffe (z.B. im Boden, Abwasser...) haben müssen für eine Wiederverwertung, Abfallreduzierung oder Abla‐ gerung aufgearbeitet werden. Die sonochemische Degradierung ist ein äußerst vielversprechender Prozess, der neben seiner hervorragenden und einzigartigen Resultate auch durch Umweltfreundlich‐ keit und einfache Umsetzung auszeichnet. Durch Ultraschall können Verbindungen aufgebrochen, Kettenlängen verringert, Veränderungen auf Moleküle modifiziert oder aktiviert werden. Dadurch be‐ einflusst Ultraschall die Oxidation, Sorption, Sonolyse und Auslaugung. Charakteristisch für den ultra‐ schall-gestützten Abbau ist eine gesteigerte chemische Umwandlungsrate. Zudem bewirken die sono‐ chemischen Effekte eine bessere Vermischung, Initiierung von Reaktionen durch den Energieeintrag, die Produktion funktioneller Gruppen (z.B. Spaltung von –OH Hydroxylgruppen) und Radikalen (z.B. H₂O-> H und HO-).

Polymerisation

Ultraschall hat verschiedene Auswirkungen auf Polymere: zu den physikalischen Auswirkungen zählen das Mischen (z. B. Emulgieren, Dispergieren, Deagglomeration, Verkapselung) und Erhitzen, während durch chemische Effekte freie Radikale erzeugt und molekulare Strukturen verändert werden. Ultraschall unterstützt die Polymerisation in mehrfacher Hinsicht: Hochleistungs-Ultraschallwellen produzieren und dispergieren Nano-Partikel, emulgieren nicht-mischbare Flüssigkeitsphasen und erzeugen freie Radikale, welche die Polymerisationsemulsion verbessern. Polymer-Nanokomposite und Hydrogele können erfolgreich durch Ultraschall produziert werden. Desweiteren spielt die Oberflächenfunktionalisierung von Polymeren eine wichtige Rolle, um die Performance von Polymeren zu verbessern und bietet zudem neue Ansätze zur Entwicklung von neuen Hochleistungsmaterialien. Die Verbesserung der Oberflächeneigenschaften von Polymeren ist von großem wirtschaftlichen Interesse. Die Sonochemie ist der richtige Weg für erfolgreiche Polymer-Behandlung.

Regeneration von Katalysatoren

Wenn Reagenzien auf der Partikeloberfläche eines Katalysators reagieren, sammeln sich die Produkte der chemischen Reaktion auf der Kontaktfläche an. Verschmutzungen und Passivierschichten blockieren andere Reagensmoleküle bei der Interaktion auf dieser Katalysatorenoberfläche. Durch Ultraschallkavitation und die dadurch verursachten interpartikulären Kollisionen der Teilchen werden die Rückstände auf der Partikeloberfläche aufgebrochen und durch Ultraschallströmungen in der Flüssigkeit weggespült. Kavitationserosion erzeugt unpassivierte, hoch reaktive Partikeloberflächen. Kurzzeitige Extrem-Temperaturen und -Drücke bewirken eine molekulare Zersetzung und erhöhte Reaktivität vieler chemischer Substanzen. Hielscher Ultraschallreaktoren werden erfolgreich bei der Herstellung, Aufarbeitung und Regeneration von Katalysatoren eingesetzt.

Sonolumineszenz

Sonoluminiscence beschreibt das physikalische Phänomen der ultra-kurzen Lichtemission, welche durch die Implosion der durch Ultraschall generierten Kavitationsblasen in einer Flüssigkeit entstehen. Zwar gibt es verschiedene Theorien, die versuchen, das Phänomen der Sonolumineszenz zu erklären, doch bis heute ist es den Wissenschaftlern noch nicht gelungen, eine der zahlreichen Theorien zu beweisen. Zu den prominentesten Theorien gehören die der Hotspots, der Bremsstrahlung, der durch Kollision induzierten Strahlung und Korona-Entladungen, die Nonclassical Light-Theorie, das Protonen-Tunneling, elektrodynamische Jets und fractolumineszente Jets, die quantenfeld-theoretische Erklärung (Unruh oder Casimir-Effekt) ebenso wie die Kernfusions-Theorie.

Die Effekte von Hochleistungsultraschall auf biologische und mikrobiologische Systeme sind vielfältig: Dispergierung & Homogenisierung, Zerschlagen von Aggregaten, Zell- und Gewebeaufschluss (z.B. von Bakterien, Hefen, Viren, Algen ...) & Extraktion von intrazellulären Materialien (z. B. Proteine, Or‐ ganellen, Ribosomen, DNA, RNA, Lipide, Peptide...), pflanzlichen Zelle Transformation, Chromatin- Scherung & -Isolierung, Chromatin-Immunopräzipitation und verwandte Anwendungen werden erfolg‐ reich mit Ultraschall ausgeführt.
Hielscher Ultrasonics bietet passenden Hochleistungs-Ultraschallgeräte für jede einzelne Anwendung. Für kleinste Vials und Reagenzgläser ist der VialTweeter das Gerät Ihrer Wahl, während ein Laborhomogenisator mit Sonotrode wie z. B. der UP200Ht oder UP400S größere Proben in idealer Weise beschallt. Für Versuche im Bench-Top, für Pilotanlagen und kommerzielle Anwendungen stehen Ultraschall-Systeme mit 500 Watt bis zu 16000 Watt zur Verfügung, welche hohe Volumenströme problemlos verarbeiten können. Verschiedenen Sonotroden, Durchflusszellen und Zubehör vervollständigen das Programm und decken alle Anforderungen ab.

Scheren von DNA, RNA & Chromatin

Desoyxribonucleic Säure (DNA), Ribonukleinsäure (RNA) und Chromatin sind – zusammen mit den Proteinen – die wichtigsten Makromolekülen. DNA und RNA sind die Moleküle, die die genetischen Anweisungen von Organismen codieren. Chromatin besteht aus DNA und Proteinen, woraus der In‐ halt des Zellkerns zusammengesetzt ist. Für Forschungszwecke ist es notwendig, diese molekularen Bausteinen in kleinere Komponenten zu fragmentieren, um diese anschließend zu untersuchen und zu analysieren oder sie während der Immunopräzipitation und des Crosslinkings neu anzuordnen. Beim Scheren von DNA, RNA und Chromatin ist die Fragmentgröße äußerst wichtig. Durch die volle Kontrolle über alle wichtigen Parameter ermöglicht Ultraschall eine gezielte Molekülfragmentierung. So liegt die ideale Chromatin-Fragmentlänge zw. 200 und 1000 BP. Ultraschall-Scheren wird durch das Beschallen im Pulsmodus erreicht. Durch ihre Bedienerfreundlichkeit und zahlreiches Zubehör ermöglichen Hielscher Ultraschall-Geräte die ideale Anpassung an den Prozess (z.B. durch direkte oder indirekte Beschallung, Kühlung, digitale Datenspeicherung). Dies gewährleistet eine erfolgrei‐ chen mikrobiologische Beschallung sowie Anwendungskomfort.

In der Farben-, Lack- und Tintenindustrie sind Partikel der Ausgangsstoff für Produkt-Formulierungen. Für qualitativ hochwertiges Produkt ist eine gleichmäßige und zuverlässige Verarbeitung der Partikel wichtig. Die Partikelgröße ist der entscheidende Faktor, welcher die Eigenschaften des Endprodukts beeinflusst. Hochleistungs-Ultraschall ist die effizienteste Methode für mikro- und nano-skaliges Mahlen und Desagglomerieren - jedoch ohne die Probleme, welche Mahlkörper oder Düsen verursachen (Abrieb, Verunreinigung, verstopfte Düsen).
Für Druckfarben und Ink-Jet-Tinten ist die Partikelgröße das wichtigste Qualitätsmerkmal: sind die Pigmente zu klein, verliert die Tinte seine Farbstärke – sind die Pigmente zu groß, verstopfen die Dru‐ cker-Düsen, was zu miderwertiger Druckqualität führt. Bei Ultraschallprozessen können die Prozess‐ parameter exakt auf die angestrebten Mahl-und Desagglomerations-Ergebnisse abgestimmt werden. Sobald die optimalen Ultraschallprozessparameter einmal gefunden wurden, gibt es keinen Grund, sie zu verändern. Die kontinuierliche Inline-Produktion ermöglicht einen gleichmäßigen Output mit höchster Produktqualität. Die Partikelverteilung innerhalb einer Formulierung ist wichtig für Produkt‐ merkmale: nur wenn die Partikel gleichmäßig und einheitlich dispergiert sind, zeigt das Endprodukt zufriedenstellende Qualitätsmerkmale wie z.B. die Transparenz, UV-Beständigkeit und Kratzfestigkeit von Beschichtungen. Dispergieren gehört zu den bewährten Power-Anwendungen von Ultraschall.

Für die Herstellung von Kosmetika ist das Mischen der Inhaltsstoffe ein wesentlicher Schritt. Hochleistungs-Ultraschall erzielt verlässliche Ergebnisse beim Feinst-Homogenisieren, Dispergieren und Emulgieren — z.B. für Cremes & Lotionen, Nagellack und Make-up. Neben den Mischverfahren ist Ultraschall als zuverlässige Technologie für die Extraktion und Zellmodifikation Liposomen) bekannt. Da viele Inhaltsstoffe, die einer Formulierung zugesetzt werden, werden durch ultraschall-gestützte Extraktion, z.B. Lipide, Proteine, Aromaten oder Farbstoffe aus Zellen, gewonnen. Ultraschall ist Ihr zuverlässiges Werkzeug für neue Formulierungen.

Die Anwendungen von Ultraschall in der pharmazeutischen Industrie sind vielfältig: Synthese von chemischen Verbindungen, Gewinnung von Wirkstoffen (z.B. Phenole, Flavonoide aus Pflanzen), Emulgieren (von Lotionen, Cremes und Salben), Liposomenherstellung (Verkapselung) oder Inaktivierung der Viren und Krankheitserreger für Impfstoffe. Bei der Herstellung von Pharmazeutika ermöglicht der Einsatz von Hielscher Ultraschallgeräiten erhöhte Produktionskapazitäten durch höhere Ausbeute und Erläge. Durch zuverlässige industrielle Ultraschall-Geräte können Reaktionen im groBen Maßstab als Batch- Prozess oder als kontinuierlicher Prozess im Durch- flussreaktor ausgeführt werden.

Der Energiesektor bietet vielfältige Anwendungen für den erfolgreichen und effizienten Einsatz von Ultraschall. Zu den wohl bekanntesten Anwendungen zählt die ultraschall-gestützte Biodiesel -Produktion (Umesterung von nativem oder gebrauchtem Pflanzenöl (Abfallöle)/ tierischen Fetten zu Biodiesel), welche zu höheren Erträgen und besserer Qualität, weniger Methanolzugabe und einer deutlich schnelleren Konversion führt. Wenn der Ausgangsstoff für die Biodiesel-Umesterung mehr als 2 bis 3 % an freien Fettsäuren (FFAs) enthält, ist saure Veresterung ein nützlicher vorgelagerten Prozess, durch welchen die Seifenbildung vermieden wird. Neben der Umesterung und der Veresterung unterstützt Hochleistungs-Ultraschall auch Gewinnung von Pflanzenölen aus Pflanzen (z.B. aus Raps, Soja, Raps, Mais, Palm, Erdnuss, Kokosnuss, Jatropha etc.) oder von Algen.
Bioethanol ist ein grüner Treibstoff, der entsteht, wenn Stärke und Zucker aus Mais, Getreide, Kartoffeln, Zuckerrohr, Reis usw. von Hefezellen zu Ethanol fermentiert wird. Durch die Anwendung von Ultraschall werden die Pflanzenzellen aufgebrochen (lysiert) und das intrazelluläre Material extrahiert, so dass die Rohstoffe für die enzymatische Fermentation in verbesserter Form zur Verfügung stehen. Dadurch werden Stärke und Zucker besser für die Vergärung verfügbar, was eine schnellere und vollständigere Umwandlung und einen höheren Ertrag zur Folge hat.

Mit Hilfe der Uitraschall-Mischtechnologie Iassen sich problemlos stabile und instabile Emulsionen herstelIen. Daher ist Ultraschall ideal zur Herstellung von Aquafuels. Dabei werden schwerere Kraftstoffe wie z.B. Schiffsdiesel mit Wasser emulgiert. Die Verwendung von mit Wasser angereichertem Treibstoff führt zu einer verbesserten Verbrennung und damit zu einer deutlichen Reduzierung der NO_x Emission. Ein weiterer wichtiger Bereich ist die ultraschall-gestützte Verarbeitung von Kohle.

Eine milde Lebensmittelverarbeitung gewinnt mehr und mehr an Bedeutung, da Kunden vermehrt frische, weitgehend natürlich Nahrungsmittel nachfragen. Daher werden traditionelle Verarbeitungsschritte wie Mischen & Homogenisierung, Extraktion, Stabilisierung & Konservierung schrittweise durch innovative Verarbeitungstechniken wie z.B. das nicht-thermische Ultraschallverfahren ersetzt. Die Vorteile der Beschallung liegen in der milden, schnellen und sauberen Verarbeitung, was zu weniger Produktverlusten und verbesserter Lebensmittelqualität führt. Hielscher Ultraschall-Prozessoren werden für unterschiedlichste Anwendungen in der Lebensmittelindustrie eingesetzt, wie z.B. Haltbarmachung & mikrobielle Inaktivierung, Homogenisierung, Stabilisierung & Haltbarmachung von Säften, Pürees und Smoothies, Extraktion von Aromen und Fructose (Zucker), Scherverdünnung zur Viskositätsabsenkung, künstliches Altern von Wein und Balsamico-Essig, Verfeinern & Geschmack, Trübungsemulsionen, Eis (verbesserte Eiskeimbildung und Massetransfer), Algenextraktion für Nutraceutikals, Conchieren der Schokolade zum Aufrechen der Zuckerkristalle, Verflüssigung von Honig, Veredelung von Speiseölen … Lesen Sie mehr über die ultraschall-gestützte Lebensmittelverarbeitung!