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Beim Eintrag von Ultraschallschwingungen in Flüssigkeiten wird ein Teil dieser kinetischen Energie durch Reibung in Wärme umgewandelt. Sind die Amplituden und damit die Beschleunigungen aber genügend hoch, entsteht das Phänomen der Kavitation. Die Flüssigkeit wird aufgerissen, viele kleine Bläschen werden generiert, die sofort wieder implodieren und mit Drücken von 1000 bar sowie Schockwellen und Flüssigkeitsstrahlen mit Geschwindigkeiten von etwa 400km/h auf die umgebenden Tröpfchen oder festen Partikel einwirken. Das Hauptziel des Leistungsultraschalls besteht also in der Nutzung der Kavitation, und ein meist willkommener Nebeneffekt ist die Erwärmung.

Die Kavitation führt zu intensiven Bewegungen der Partikel gegeneinander bis hin zu heftigen Kollisionen. Vorhandene Bindungen werden zerschlagen, um neue zu schaffen. Durch sehr feine, intensive Vermischung werden die Reaktionszeiten deutlich verringert. Je größer die Gesamt-Oberfläche der Phasengrenzschicht aller miteinander reagierenden Partikel ist, desto schneller und ergiebiger läuft ein Prozess ab. Dies wird insbesondere durch Zerkleinern von Agglomeraten in Suspensionen oder von Tröpfchen in Emulsionen erreicht, wobei Dimensionen von unter 100 Nanometern erreicht werden. Mit Ultraschall werden aber auch Katalysatoren ständig gereinigt, stehen mit einer größeren aktiven Fläche zur Verfügung und können daher auch teilweise eingespart werden. Neben der Beschleunigung der Katalyse werden mit Ultraschall aber auch Reaktionen möglich, die mit anderen Energieformen gar nicht oder nur sehr schwierig erreichbar sind.

In den vergangenen Jahren haben sich die Ultraschalltechnik und deren Anwendungsfälle so entwickelt, dass sowohl im Labor- als auch im Industriemaßstab viele geeignete Geräte und umfangreiche Erfahrungen vorhanden sind, so bei Fällungsreaktionen, homogener oder heterogener Analyse, Kristallisierung, Imprägnierung, Sonochemie bei Polymeren oder Umesterung bei der Biodieselherstellung.
Im Labor liegt das Augenmerk nicht nur in der Einsparung von Bearbeitungszeit und -kosten, sondern auch in der schnellen Bereitstellung der Analyseergebnisse. So ist es bei der Qualitätskontrolle im Produktionsprozess wichtig, mittels schneller Analyse-Ergebnisse möglichst zeitnah auf den Prozess einzuwirken.
Entsprechend stehen Ultraschallgeräte mit Zubehör nicht nur für die schnelle Aufbereitung von Stichproben in Batches im Labor bereit, wie die Desintegratoren oder das rezirkulierende System „Sonostep“, sondern auch für die in-line Aufbereitung zum Beispiel eines Teils des Materialflusses in einem Bypass. Für Anwendungen mit infektiösen oder toxischen Materialien oder bei hohen Reinheitsanforderungen, wo zum Beispiel schon der Kontakt mit der Ultraschall-Titansonotrode unerwünscht ist, stehen spezielle Methoden zur Verfügung. So überträgt der „VialTweeter “ intensiven Ultraschall über die Wandung von Eppendorf-Tubes in deren Inhalt. Bei einer Minidurchflusszelle fließt das Material nur durch ein Glasröhrchen, das von außen in Schwingungen versetzt wird.

Während der Energieverbrauch bei den Laboranwendungen kaum eine Rolle spielt, ist er ein bedeutender Kostenfaktor im Industrieprozess. Hier sind ein hoher Wirkungsgrad der Ultraschallprozessoren und die Optimierung der Prozessparameter wichtig. Generell lassen sich ultraschallgestützte Prozesse vom Labor- oder Technikumsmaßstab auf beliebig große Produktionsprozesse übertragen. Lediglich die geforderte Ultraschall-Leistung korreliert linear mit dem Produktions-Volumenstrom und wird durch die notwendige Anzahl sehr leistungsfähiger Ultraschallprozessoren realisiert, während die anderen Parameter konstant bleiben. Allerdings sind spezielle Sicherheitsanforderungen zu berücksichtigen, wie die Reduzierung des Kavitationslärms oder der Explosionsschutz. Für beide Anforderungen gibt es entsprechende Lösungen.
Vorzugsweise werden schlüsselfertige Ultraschalleinheiten installiert, bestehend aus Ultraschallgenerator und Schallwandler, Sonotrode, Durchflußzelle, Steuerungselektronik, Schallschutz und bei Bedarf Explosionsschutz. Die Schnittstellen sind der Eingang und der Ausgang des Materialflusses und auch eines Kühlmediums, die Stromversorgung und die Signalübertragung für übergeordnete Steuerungen.
Es sind aber auch anwenderspezifische Lösungen möglich, zum Beispiel die Integration einer Ultraschall-Durchfluss-Zelle in ein vorhandenes System. Auch der Eintrag des Ultraschalls in einen Reaktionskessel ist möglich, wobei auch hier ein schwingungsentkoppelter Flansch das Vibrieren des Kessels verhindert. Wenn vom Zerkleinerungs- und Mischeffekt des Ultraschalls gesprochen wird, bezieht sich das auf kleinere Partikel (< 1mm3) und das richtige Mischungsverhältnis der beteiligten Komponenten in allen Teilvolumina (< 1cm3). Um eine gleichmäßige Bearbeitung aller Partikel zu erreichen, ist ein Rührer erforderlich, der alle Teile immer wieder in die intensive Beschallungszone an der Oberfläche der Sonotrode transportiert. Bei kontinuierlichen Systemen wird dieser Effekt schon durch die entsprechende Geometrie der Durchflußzellen erreicht.
Die Nutzung der Energieform Ultraschall zum Auslösen und Beschleunigen von chemischen Reaktionen ist für bestimmte Anwendungsfälle in Labor und Industrie vorteilhaft und mit Hilfe der vorhandenen Ultraschalltechnik auch in beliebigen Bearbeitungsmengen realisierbar.

http://www.hielscher.com/ultraschall/sonocatalysis_catalysis.htm

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