Darüber hinaus können sogenannte Ultraschallhomogenisatoren im Labor und Sonoreaktoren im industriellen Maßstab hervorragend für verfahrenstechnische Prozesse eingesetzt werden. Insbesondere die erfolgreiche Nutzung von Sonoreaktoren als ein Schlüsselprozess in Technikum und Produktion ist bei vielen potentiellen Anwendern oft noch nicht bekannt. Anhand von Beispielen werden die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten und die individuell mögliche Anpassung dargestellt.

Ultraschall wird in Wissenschaft und Technik für die vielfältigsten Anwendungen eingesetzt. Neben den weit verbreiteten Ultraschallbädern im Labor können mit Ultraschall-Homogenisatoren im Labormaßstab besonders hohe Energiedichten in das Medium übertragen werden (bis zu 1500 W/cm² gegenüber 1–5 W/cm² in Bädern). Das Homogenisieren, Emulgieren, Suspendieren, Desagglomerieren verschiedenster Substanzen, das Beschleunigen chemischer Reaktionen oder das Aufschließen von Zellen sind bewährte Einsatzgebiete.

Ultraschallbäder haben sich insbesondere in der Reinigungstechnik mit dem Effekt von besonders hoher Reinigungsleistung in kürzerer Zeit im Vergleich zu anderen Reinigungsverfahren bereits seit langem auch im Produktionsmaßstab erfolgreich etabliert, beispielsweise in der Reinigung von Guss-und Frästeilen nach der Produktion.

Hingegen ist es aber oft noch nicht bekannt, dass Ultraschallbehandlungen mit der oben erwähnten besonders hohen Energiedichte auch im Technikums- und Produktionsmaßstab beispielsweise zum Herstellen von Suspensionen, Emulsionen, zum Zellaufschluss von Bakterien, Hefen und Algen eingesetzt werden können. Mittels leistungsstarker Durchfluss-Ultraschallreaktoren (Sonoreaktoren), die auch noch parallel angeordnet werden können, sind die Durchsatzraten sehr gut an die Anforderungen anpassbar. Durchflussraten von bis zu 1.000l/h können je nach Anwendung mit einem Reaktor realisiert werden.

Die Firma Bandelin, Marktführer im Bereich Ultraschallanwendungen im Labor, produziert und vertreibt dafür sogenannte Sonoreaktoren. Es sind verschiedene Typen von Reaktoren verfügbar, die darüber hinaus sehr gut an die jeweiligen individuellen Anforderungen angepasst werden können. Das Unternehmen ist seit Jahrzehnten Vorreiter bei der Entwicklung neuer Ultraschall-Geräte- und Anwendungsbereiche.

Equipment
Passend zu den Anwendungen und zu den Leistungsanforderungen stehen verschiedene Aufbauten eines Reaktors in verschiedenen Größen, Leistungen und Ausstattungen zur Verfügung. Man unterscheidet grundsätzlich zwischen Rohrreaktoren und Wirbelreaktoren. Die Schwingsysteme befinden sich bei dem Reaktorprinzip der Rohrreaktoren auf der Außenseite des hochwertigen

Aufbau eines Rohrreaktors: Die Ultraschall-Schwingsysteme sind so angeordnet, dass das Medium während des Durchflusses optimal beschallt wird.

V4A-Reaktorrohres und führen, anders als bei herkömmlichen Sonotroden-Ultraschall-Reaktoren, nicht zu einer Beeinträchtigung des Fließverhaltens im Reaktorrohr. Mit diesem Konzept ist das Ultraschallsystem äußerst unempfindlich gegen Verstopfungen bei der Beschallung hochviskoser oder feststoffhaltiger Medien. Bei den sogenannten Ultraschall-Wirbelreaktoren wird das Medium hochintensiv in einem Spalt zwischen zwei Rohren beschallt, um sehr hohe Ultraschall-Intensitäten für hohe Aufschlussgrade zu erzielen. Durch die Ausstattungsvielfalt lassen sich Leistungsdichten bis 2000 W/l erzielen. Der benötigte Leistungseintrag kann dabei je nach Anwendung stufenlos per Hand oder Schnittstelle eingestellt werden. Ultraschall-UV-Reaktoren enthalten zusätzlich eine UV-C-Lampe, beispielsweise für eine effektive Entkeimung.

Die Reaktorlänge liegt in der Regel bei ca. 1 m. Zur Erhöhung des Durchsatzes können Reaktoren unkompliziert parallel angeordnet werden.

In vielen Branchen und Anwendungen werden hohe Anforderungen an die Feinstverteilung von Emulsionen und Suspensionen gestellt, die mit herkömmlichen Verfahren nicht hinreichend gut, stabil oder ausreichend schnell erzielt werden kann. Hier werden beispielhaft Anwendungen aufgeführt, in denen der Einsatz von Sonoreaktoren diese Anforderungen sehr gut erfüllen kann.

Bei der Parfümherstellung werden Ultraschallreaktoren im Durchflussbetrieb zur optimalen Homogenisierung der Stärkeemulsion im Vorprozess eingesetzt. Bei der Herstellung von Druckerpapier, insbesondere hochwertigen Sorten wie Hochglanzpapier für Fotozwecke etc., werden bevorzugt keramische Feinstdispersionen mit Nanopartikeln verwendet, die im kontinuierlichen Prozess in Rohr- oder Sonoreaktoren mit einem geringen Reaktionsspalt beschallt werden. Bei der Herstellung hochwertiger Druckertinten für Tintenstrahldrucker dienen Sonoreaktoren zum sicheren Austreiben von Mikrobläschen aus der Tintenlösung.

Moderne qualitativ hochwertige Lacke und Farben werden heute als Pigmente oder Füllstoffe mehr und mehr als Nanopartikel zugesetzt, deren optimale Dispergierung mittels Ultraschall erzielt werden kann.

Das Einbringen von Entschäumer in Öl kann je nach Produkt durchaus Probleme bereiten, die mit Ultraschall gelöst werden können. Durch die flexible Wahl der Energiedichte ist sogar die Steuerung bezüglich des Erzielens einer gewünschten Temperatur nach dem Dispergiervorgang möglich.

Zellaufschluss von Algen, Hefen oder Bakterien
Zur Gewinnung von intrazellulär synthetisierten rekombinanten Proteinen wird eine möglichst homogene Lyse der Zelle angestrebt. Ultraschalleinheiten für kleine Volumeneinheiten sind im Bereich der Biotechnologe schon lange etabliert. Im großtechnischen Maßstab erfolgt der Zellaufschluss jedoch nach wie vor meist in Hochdruckhomogenisatoren. Auf Grund der hohen Wartungskosten besteht ein großes Interesse an Alternativen mit guten Aufschlussresultaten und geringeren Wartungskosten, was die Ultraschallreaktortechnologie leisten kann.

Der Zellaufschluss von E. coli -Stämmen ist beispielsweise mit vertretbaren Durchflussraten und guten Aufschlussergebnissen möglich. Eine Kühlung kann integriert werden, ist aber nicht in jedem Fall notwendig oder sinnvoll. Die Qualität der gewonnenen Proteine unterscheidet sich nicht im Vergleich zum Aufschluss im Hochdruckhomogenisator. Es müssen wie immer jeweils die optimalen Parameter wie Energieeintrag, Zelldichte, Durchflussgeschwindigkeit etc. anhand von Testläufen ermittelt werden.

Der Verwendung von Algen zur Gewinnung von Inhaltsstoffen erlangt eine zunehmende Bedeutung in der Wissenschaft und für die wirtschaftliche Nutzung. Vergleichstests im Labor haben gezeigt, dass für den Aufschluss von Algen die Verwendung von energiereichen Ultraschallmethoden sehr gute Ergebnisse erzielen kann, auch Chlorella-Arten können gut aufgeschlossen werden. Ausbeute und Qualität von gewonnener DNA sind vergleichbar und zufriedenstellend. Die Erfahrungen zeigen, dass Tests mit den Sonoreaktoren bzw. für Voruntersuchungen mit den SONOPULS-Ultraschallhomogenisatoren im Labormaßstab durchaus aussichtsreich sind, auch wenn früher eher unzureichend positive Testerfahrungen mit Ultraschallequipment gemacht wurden.

Chemische Verfahrenstechnik
In der chemischen Verfahrenstechnik werden Ultraschallkomponenten zur Initiierung oder Beschleunigung von chemischen Reaktionen eingesetzt. Auf Grund der hohen Drücke und Temperaturen im Inneren von Kavitationsblasen kommt es zu chemischen Umwandlungen, die ohne den Einfluss von Ultraschall nicht stattfinden würden. Zum Beispiel können Ultraschallreaktoren bei den sehr zeitaufwändigen Semi-Batchprozessen zur Herstellung von Grignardverbindungen deutlich zur Beschleunigung der chemischen Umsetzung beitragen.

Ein Beispiel für eine weitere Anwendungsmöglichkeit: Nach der Synthese eines hochviskosen Zwischenproduktes fällt ein Nebenprodukt in herkömmlichen Absetzbehältern erst nach 3 Monaten aus. Die Einbringung von Ultraschall in die bestehenden Absetzbehälter stellt hierbei einen Ansatz dar, den natürlichen Absetzprozess zu beschleunigen.