Ultraschallveraarbechtung vu Flëssegkeeten, Suspensiounen a cheemesche Reaktiounen

D’Ultraschallbehandlung ass eng mechanesch Veraarbechtungsmethod, déi akustesch Kavitatioun a physikalesch Kräfte mat ganz héijer Intensitéit erzeugt. Dofir gëtt Ultraschall fir vill Uwendunge benotzt, wéi Mëschen, Homogeniséieren, Muelen, Dispergéieren, Emulgéieren, Extraktioun, Entgasen a sonocheemesch Reaktiounen.

Fannt Är Uwendung an der Tabell hei ënnen, klickt op de Link a gitt direkt bei de Prozess, deen Iech interesséiert! Léiert, wéi d’Ultraschallbehandlung de Prozess a seng Effizienz verbessert.

Ultraschallhomogeniséierung

Ultraschallhomogenisateure verklengere kleng Partikelen an enger Flëssegkeet, fir d’Gläichméissegkeet an d’Stabilitéit vun der Dispersioun ze verbesseren. D’Partikelen (disperséiert Phas) kënne Feststoffer oder Flëssegkeetsdrëpse sinn, déi an enger flësseger Phas suspendéiert sinn. D’Ultraschallhomogeniséierung ass ganz effizient fir mëll an haart Partikelen ze verklengeren. Hielscher stellt Ultraschallapparater fir d’Homogeniséierung vun all Flëssegkeetsvolumen a fir d’Veraarbechtung a Chargen oder am Inline-Betrib hier. Ultraschallapparater fir de Laboratoire kënne fir Volumë vun 1,5mL bis ongeféier 4L agesat ginn. Industriell Ultraschallapparater kënne bei der Prozessentwécklung an an der kommerzieller Produktioun Chargë vun 0,5 bis ongeféier 2000L oder Duerchflossrate vun 0,1L bis 20 Kubikmeter pro Stonn veraarbechten.
Entdeckt d’Kraaft vun der Ultraschallhomogeniséierung!

Ultraschalldispergéierung an Desagglomeratioun

D’Dispergéierung an d’Desagglomeratioun vu Feststoffer a Flëssegkeeten ass eng wichteg Uwendung vun Ultraschallapparater mat Sond. Ultraschallkavitatioun / akustesch Kavitatioun erzeugt héich Scherkräften, déi Partikelagglomerater an eenzel, separat dispergéiert Partikelen opbriechen. D’Amësche vu Pudder a Flëssegkeeten ass e geleefege Schrëtt bei der Formuléierung vu verschiddene Produkter, wéi Faarwen, Lacker, Kosmetikprodukter, Liewensmëttel a Gedrénks oder Poléiermëttel. Déi eenzel Partikele ginn duerch Unzéiungskräfte vu verschiddener physikalescher a cheemescher Natur zesummegehalen, dorënner Van-der-Waals-Kräften an d’Uewerflächespannung vu Flëssegkeeten. D’Ultraschallbehandlung iwwerwënnt dës Unzéiungskräften, fir d’Partikelen a flëssege Medien ze desagglomeréieren an ze dispergéieren. Fir d’Dispergéierung an d’Desagglomeratioun vu Pudder a Flëssegkeeten ass d’Ultraschallbehandlung mat héijer Intensitéit eng interessant Alternativ zu Héichdrockhomogenisateuren, Mëscher mat héije Scherkräften, Pärelemillen oder Rotor-Stator-Mëscher.
Kritt detailléiert Informatiounen iwwer d’Ultraschalldispergéierung an d’Desagglomeratioun!

Ultraschallemulgéierung

Eng breet Palett vun Tëscheprodukter a Konsumgidder, wéi Kosmetik an Hautlotiounen, pharmazeutesch Salben, Lacker, Faarwen, Schmiermëttel a Brennstoffer, baséiert ganz oder deelweis op Emulsiounen. Emulsioune sinn Dispersioune vun zwou oder méi flëssege Phasen, déi net matenee mëschbar sinn. Héichintensiven Ultraschall liwwert genuch staark Schéierwierkung, fir eng flësseg Phas (disperséiert Phas) a Form vu klengen Drëpsen an enger zweeter Phas (kontinuéierlech Phas) ze verdeelen. An der Dispersiounszon verursaachen implodéierend Kavitatiounsblosen intensiv Stousswellen an der Flëssegkeet ronderëm a féieren zur Bildung vu Flëssegkeetsstrale mat héijer Flëssegkeetsvitess (staark Schéierwierkung). D’Ultraschallbehandlung ka genee un déi ugestrieft Emulsiounsgréisst ugepasst ginn an erméiglecht domat déi zouverlässeg Produktioun vu Mikroemulsiounen an Nanoemulsiounen.
Klickt hei, fir méi iwwer d’Emulgéierung mat Ultraschall ze liesen!

Naassmuelen a Vermahle mat Ultraschall

D’Ultraschallbehandlung ass en effikasst Mëttel fir d’Naassmuelen an d’Mikrovermahle vu Partikelen. Besonnesch bei der Hierstellung vu Suspensioune mat superfenge Partikele bitt Ultraschall vill Virdeeler. En ass traditionellen Apparater fir d’Partikelverklengerung iwwerleeën, wéi: Kolloidmillen (z. B. Kugelmillen, Pärelmillen), Scheiwemillen oder Stralmillen. D’Ultraschallbehandlung kann héichkonzentréiert an héichviskos Suspensioune verschaffen – doduerch gëtt de Volume, dee verschafft muss ginn, reduzéiert. Natierlech eegent sech d’Muele mat Ultraschall fir d’Veraarbechtung vu Materialien am Mikro- an Nanometerberäich, wéi Keramik, Pigmenter, Bariumsulfat, Kalziumkarbonat oder Metalloxiden. Besonnesch bei Nanomaterialien zeechent sech d’Ultraschallbehandlung duerch hir Leeschtung aus, well hir héichwierksam Schéierkräfte gläichméisseg kleng Nanopartikele produzéieren.
Liest méi iwwer d’Naassmuelen an d’Mikrovermahle mat Ultraschall!

Spréigedréchenten TiO2 virum an nom Muele mat Ultraschall

Zelldesintegratioun a Lys mat Ultraschall

D’Ultraschallbehandlung ka faseregt, zellulosehaltegt Material a fein Partikelen zerleeën an d’Wänn vun der Zellstruktur opbriechen. Doduerch gëtt méi vum intrazelluläre Material, wéi Stäerkt oder Zocker, an d’Flëssegkeet fräigesat. Dësen Effekt ka fir d’Fermentatioun, den Ofbau an aner Ëmwandlungsprozesser vun organescher Matière genotzt ginn. Nom Muelen a Vermahle mécht d’Ultraschallbehandlung méi vum intrazelluläre Material, z. B. Stäerkt, souwéi d’Zellwandreschter fir déi Enzyme zougänglech, déi Stäerkt an Zocker ëmwandelen. Si vergréissert och d’Uewerfläch, déi den Enzyme wärend der Verflëssegung oder Verzockerung ausgesat ass. Dëst erhéicht typescherweis d’Vitess an d’Ausbeut vun der Hieffermentatioun an aneren Ëmwandlungsprozesser, z. B. fir d’Ethanolproduktioun aus Biomass ze steigeren.
Liest méi iwwer d’Desintegratioun vun Zellstrukture mat Ultraschall!

Ultraschallextraktioun vu Planzestoffer

D’Extraktioun vu bioaktive Verbindungen, déi an Zellen an subzelluläre Partikele gespäichert sinn, ass eng wäit verbreet Uwendung vun héichintensivem Ultraschall. D’Ultraschallextraktioun gëtt benotzt, fir sekundär Metabolitten (z. B. Polyphenoler), Polysacchariden, Proteinnen, ätheresch Ueleger an aner Wierkstoffer aus der zellulärer Matrix vu Planzen a Pilzen ze isoléieren. D’Ultraschallbehandlung eegent sech fir d’Extraktioun vun organesche Verbindunge mat Waasser a Léisungsmëttelen an erhéicht d’Ausbeut u Planzestoffer, déi a Planzen oder Some enthale sinn, däitlech. D’Ultraschallextraktioun gëtt fir d’Produktioun vu Pharmazeutika, Nutrazeutika / Nahrungsergänzungsmëttelen, Doftstoffer a biologeschen Zousazstoffer benotzt. Ultraschall ass eng ëmweltfrëndlech Extraktiounstechnik, déi och fir d’Extraktioun vu bioaktive Komponenten a Bioraffinerië benotzt gëtt, z. B. fir wäertvoll Verbindungen aus ongenotzten Nieweproduktstréim fräizesetzen, déi bei industrielle Prozesser entstinn. D’Ultraschallbehandlung ass eng héichwierksam Technologie fir d’Extraktioun vu Planzestoffer am Labo- a Produktiounsmoossstaf.
Entdeckt d’Virdeeler vun der Ultraschallextraktioun!

Sonochemesch Uwendung vun Ultraschall

Sonochemie ass d’Uwendung vun Ultraschall op cheemesch Reaktiounen a Prozesser. De Mechanismus, deen sonocheemesch Effekter a Flëssegkeete verursaacht, ass de Phenomeen vun der akustescher Kavitatioun. Zu de sonocheemeschen Effekter op cheemesch Reaktiounen a Prozesser gehéieren eng Erhéijung vun der Reaktiounsvitesse oder der Produktquantitéit, eng méi effizient Energienotzung, eng Verbesserung vun der Leeschtung vu Phasentransferkatalysatoren, d’Aktivéierung vu Metaller a Feststoffer oder eng Erhéijung vun der Reaktivitéit vu Reagenzien oder Katalysatoren.
Entdeckt déi sonocheemesch Effekter vum Ultraschall!

Transesterifikatioun vun (Offall-)Ueleg zu Biodiesel mat Ultraschall

D’Ultraschallbehandlung erhéicht d’cheemesch Reaktiounsvitesse an de Rendement vun der Transesterifikatioun vu planzlechen Ueleger an déieresche Fetter zu Biodiesel. Dëst erméiglecht et, d’Produktioun vun der chargëweiser Veraarbechtung op eng kontinuéierlech Duerchflossveraarbechtung ëmzestellen, a reduzéiert d’Investitiouns- an d’Betribskäschten. Ee vun de grousse Virdeeler vun der Biodieselproduktioun mat Ultraschall ass d’Notzung vun Offallueleger wéi gebrauchte Kachueleger an aneren Uelegquelle vu schlechter Qualitéit. D’Transesterifikatioun mat Ultraschall ka souguer Ausgangsmaterial vu gerénger Qualitéit an héichwäertege Biodiesel (Fettsaiermethylester / FAME) ëmwandelen. D’Hierstellung vu Biodiesel aus planzlechen Ueleger oder déieresche Fetter ëmfaasst d’basekatalyséiert Transesterifikatioun vu Fettsaiere mat Methanol oder Ethanol, fir déi entspriechend Methylester oder Ethylester ze kréien. D’Ultraschallbehandlung kann e Biodieselrendement vun iwwer 99% erreechen. Ultraschall reduzéiert d’Veraarbechtungszäit an d’Trennzäit däitlech.
Klickt hei, fir méi iwwer d’ultraschallënnerstëtzt Transesterifikatioun vun Ueleg zu Biodiesel ze liesen!

Entgasung, Entlüftung an Entschaimung vu Flëssegkeete mat Ultraschall

D’Entgasung vu Flëssegkeeten ass eng weider wichteg Uwendung vun Ultraschallapparater mat Sond. Ultraschallschwéngungen a Kavitatioun verursaachen d’Koaleszenz vu opgeléiste Gasen an enger Flëssegkeet. Wann déi winzeg Gasblosen zesummefléissen, bilden si méi grouss Blosen, déi séier un d’Uewerfläch vun der Flëssegkeet klammen a vun do ewechgeholl kënne ginn. Sou kënnen d’Entgasung an d’Entlüftung mat Ultraschall de Gehalt un opgeléistem Gas ënner den natierleche Gläichgewiichtsniveau reduzéieren.
Klickt hei, fir méi iwwer d’Entgasung vu Flëssegkeete mat Ultraschall ze liesen!

Botze vun Drot, Kabelen a Bänner mat Ultraschall

D’Botze mat Ultraschall ass eng ëmweltfrëndlech Alternativ fir d’Botze vun Endlosmaterialien, wéi Drot a Kabelen, Bänner oder Réier. D’Wierkung vun der kräfteger Ultraschallkavitatioun entfernt Schmiermëttelreschter wéi Ueleg oder Schmierfett, Seefen, Stearater oder Stëbs vun der Materialuewerfläch. Hielscher Ultrasonics bitt verschidden Ultraschallsystemer fir d’Inline-Botze vun Endlosprofiller un.
Klickt hei fir méi Informatiounen iwwer d’Botze vun Endlosprofiller mat Ultraschall!

Wat mécht d’Ultraschallbehandlung zu enger iwwerleeëner Veraarbechtungsmethod?

D’Ultraschallbehandlung, also d’Notzung vu Schallwelle mat héijer Frequenz, fir Flëssegkeeten a Beweegung ze versetzen, ass aus verschiddene Grënn eng effizient Veraarbechtungsmethod. Hei sinn e puer Grënn, firwat d’Ultraschallbehandlung mat héijer Intensitéit an enger niddreger Frequenz vun ongeféier 20kHz besonnesch wierksam a virdeelhaft fir d’Veraarbechtung vu Flëssegkeeten a Suspensiounen ass:

1. Kavitatioun: Ee vun den Haaptmechanisme vun der Ultraschallbehandlung ass d’Bildung an den Zesummebroch vu winzege Blosen, e Phenomeen, dee Kavitatioun genannt gëtt. Bei 20kHz hunn d’Schallwelle genee déi richteg Frequenz, fir Blosen effizient ze bilden an zum Zesummebroch ze bréngen. Den Zesummebroch vun dëse Blose produzéiert energieräich Stousswellen, déi Partikelen zerkleineren an Zellen an der Flëssegkeet, déi mat Ultraschall behandelt gëtt, opbrieche kënnen.
2. Oszillatioun a Vibratioun: Nieft der entstoender akustescher Kavitatioun bewierkt d’Oszillatioun vun der Ultraschallsond zousätzlech Beweegung a Vermëschung an der Flëssegkeet, wouduerch de Stofftransport an/oder d’Entgasung gefërdert ginn.
3. Andréngen: Schallwelle bei 20kHz hunn eng relativ laang Wellelängt, wat et hinnen erlaabt, déif a Flëssegkeeten anzedréngen. Ultraschallkavitation ass e lokaliséiert Phenomeen, dat an der Ëmgéigend vun der Ultraschallsond optrëtt. Mat zouhuelender Distanz zu der Sond hëlt d’Kavitatiounsintensitéit of. Allerdéngs kann d’Ultraschallbehandlung bei 20kHz méi grouss Flëssegkeetsvolumenen effizient behandelen am Verglach mat enger Ultraschallbehandlung bei méi héijer Frequenz, déi méi kuerz Wellelängten huet an där hir Andréngdéift méi limitéiert ka sinn.
4. Niddregen Energieverbrauch: D’Ultraschallbehandlung ka mat engem relativ niddregen Energieverbrauch duerchgefouert ginn am Verglach mat anere Veraarbechtungsmethode wéi Héichdrockhomogeniséierung oder mechaneschem Réieren. Dat mécht si zu enger méi energieeffizienter a méi käschtegënschteger Method fir d’Veraarbechtung vu Flëssegkeeten.
5. Linear Skaléierbarkeet: Ultraschallprozesser kënne komplett linear op méi grouss oder méi kleng Volumene skaléiert ginn. Dat mécht Prozessupassungen an der Produktioun zouverlässeg, well d’Produktqualitéit kontinuéierlech stabil gehale ka ginn.
6. Chargen an Inline-Duerchstroum: D’Ultraschallbehandlung kann a Chargen oder a kontinuéierlechen Inline-Prozesser duerchgefouert ginn. Fir d’Ultraschallbehandlung vu Chargë gëtt d’Ultraschallsond an den oppene Behälter oder an de geschlossene Chargereakter agefouert. Fir d’Ultraschallbehandlung vun engem kontinuéierleche Flëssegkeetsstroum gëtt eng Ultraschall-Duerchstroumzell installéiert. Dat flëssegt Medium passéiert d’Sonotrod (eng Staang, déi mat Ultraschall vibréiert) an engem eenzegen Duerchlaf oder an der Rezirkulatioun a gëtt den Ultraschallwelle ganz gläichméisseg an effizient ausgesat.

Insgesamt maachen déi intensiv Kavitatiounskräften, den niddregen Energieverbrauch an d’Skaléierbarkeet vum Prozess d’Ultraschallbehandlung mat niddreger Frequenz an héijer Leeschtung zu enger effizienter Method fir d’Veraarbechtung vu Flëssegkeeten.

Funktiounsprinzip an Uwendung vun der Ultraschallveraarbechtung

D’Ultraschallbehandlung ass eng kommerziell Veraarbechtungstechnologie, déi vu ville Branchen fir d’Produktioun a groussem Moossstaf agefouert gouf. Héich Zouverlässegkeet a Skaléierbarkeet souwéi niddreg Ënnerhaltskäschten an héich Energieeffizienz maachen Ultraschallprozessoren zu enger gudder Alternativ zu traditionellen Apparater fir d’Veraarbechtung vu Flëssegkeeten. Ultraschall bitt zousätzlech spannend Méiglechkeeten: Kavitation – de grundlegenden Ultraschalleffekt – liwwert eenzegaarteg Resultater a biologeschen, cheemeschen a physikalesche Prozesser. Zum Beispill loossen sech duerch Ultraschalldispergéierung an -emulgéierung einfach stabil Formuléierungen am Nanometerberäich hierstellen. Och am Beräich vun der Extraktioun vu Planzestoffer ass Ultraschall eng net-thermesch Technik fir bioaktiv Verbindungen ze isoléieren.

D’Mësche mat Ultraschall baséiert op akustescher Kavitation an hiren hydrodynamesche Schéierkräften.

Wärend Ultraschall mat niddreger Intensitéit oder héijer Frequenz haaptsächlech fir Analysen, zerstéierungsfräi Prüfungen a Bildgebung agesat gëtt, gëtt Ultraschall mat héijer Intensitéit fir d’Veraarbechtung vu Flëssegkeeten a Paste benotzt, woubäi intensiv Ultraschallwelle fir d’Mëschen, d’Emulgéieren, d’Dispergéieren an d’Deagglomeratioun, den Zellopbroch oder d’Desaktivéierung vun Enzymen agesat ginn. Wann Flëssegkeete mat héijer Intensitéit beschallt ginn, verbreede sech d’Schallwellen duerch déi flësseg Medien. Dëst féiert zu ofwiesselenden Héichdrockzyklen (Kompressioun) an Nidderdrockzyklen (Verdënnung), deenen hir Widderhuelungsraten vun der Frequenz ofhänken. Wärend dem Nidderdrockzyklus erzeugen Ultraschallwelle mat héijer Intensitéit kleng Vakuumblosen oder Huelraim an der Flëssegkeet. Wann d’Blosen e Volumen erreechen, bei deem se keng Energie méi ophuele kënnen, brieche se wärend engem Héichdrockzyklus hefteg zesummen. Dëst Phänomeen gëtt Kavitatioun genannt. Wärend der Implosioun gi lokal ganz héich Temperaturen (ongeféier 5.000K) an Drécker (ongeféier 2.000atm) erreecht. D’Implosioun vun der Kavitatiounsblos féiert och zu Flëssegkeetsstrale mat enger Vitess vu bis zu 280 Meter pro Sekonn.

Ultraschallkavitatioun a Flëssegkeete ka séier a vollstänneg Entgasung bewierken; verschidde cheemesch Reaktiounen duerch d’Erzeuge vu fräie cheemeschen Ionen (Radikaler) ausléisen; cheemesch Reaktiounen duerch d’Erliichtere vum Mësche vun de Reaktante beschleunegen; Polymerisatiouns- an Depolymerisatiounsreaktiounen duerch d’Dispergéiere vun Aggregater oder duerch dat dauerhaft Opbrieche vu cheemesche Bindungen a Polymerketten verstäerken; d’Emulgéierungsraten erhéijen; d’Diffusiounsraten verbesseren; héich konzentréiert Emulsiounen oder eenheetlech Dispersioune vu Materialien am Mikrometer- oder Nanometerberäich produzéieren; d’Extraktioun vu Substanze wéi Enzymen aus Déieren-, Planzen-, Hief- oder Bakterienzellen ënnerstëtzen; Viren aus infizéiertem Geweebe ewechhuelen; a schliisslech ufälleg Partikelen, dorënner Mikroorganismen, erodéieren an ofbauen. (cf. Kuldiloke 2002)

Ultraschall mat héijer Intensitéit erzeugt hefteg Beweegungen a Flëssegkeete mat niddreger Viskositéit, déi benotzt kënne ginn, fir Materialien a Flëssegkeeten ze dispergéieren. (cf. Ensminger, 1988) U flësseg/fest oder gasfërmeg/fest Grenzfläche kann déi asymmetresch Implosioun vu Kavitatiounsblosen extrem Turbulenze verursaachen, déi d’Diffusiounsgrenzschicht reduzéieren, de konvektive Stofftransport erhéijen an d’Diffusioun a Systemer, an deenen normaalt Mëschen net méiglech ass, däitlech beschleunegen. (cf. Nyborg, 1965)

Literatur

• Seyed Mohammad Mohsen Modarres-Gheisari, Roghayeh Gavagsaz-Ghoachani, Massoud Malaki, Pedram Safarpour, Majid Zandi (2019): Ultrasonic nano-emulsification – A review. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 52, 2019. 88-105.
• Suslick, Kenneth S.; Hyeon, Taeghwan; Fang, Mingming; Cichowlas, Andrzej A. (1995): Sonochemical synthesis of nanostructured catalysts. Materials Science and Engineering: A. Proceedings of the Symposium on Engineering of Nanostructured Materials. ScienceDirect 204 (1–2): 186–192.
• Brad W. Zeiger; Kenneth S. Suslick (2011): Sonofragmentation of Molecular Crystals. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 37, 14530–14533.
• Petigny L., Périno-Issartier S., Wajsman J., Chemat F. (2013): Batch and Continuous Ultrasound Assisted Extraction of Boldo Leaves (Peumus boldus Mol.). International Journal of Molecular Science 14, 2013. 5750-5764.
• Ensminger, D. E. (1988): Acoustic and electroacoustic methods of dewatering and drying, in: Drying Tech. 6, 473 (1988).
• Kuldiloke, J. (2002): Effect of Ultrasound, Temperature and Pressure Treatments on Enzyme Activity an Quality Indicators of Fruit and Vegetable Juices; Ph.D. Thesis at Technische Universität Berlin (2002).
• Nyborg, W.L. (1965): Acoustic Streaming, Vol. 2B, Academic Press, New York (1965).