Werden konventionelle Homogenisatoren, hydrodynamische Mischer und Rührwerksmühlen durch Ultraschalltechnik und den damit einhergehenden Kavitationsprozess ersetzt, so werden damit zwei Vorteile erzielt: Der Prozess wird kostensparender und zugleich umweltfreundlicher.

Aufgrund der aktuellen, ständig steigenden Energiekosten wirkt sich der Energieverbrauch direkt und erheblich auf die Prozesskosten, wie beispielsweise auf die Kosten bei der Herstellung von Tinte, Beschichtungen und Biodiesel, aus.

Hielscher Ultraschallgeräte verbrauchen weniger Energie als die herkömmlichen mechanischen Systeme und erreichen gleichzeitig höhere Prozessergebnisse. Ein weiterer, keineswegs zu verachtender Vorteil ist die Energieersparnis, die sich durch einen Wechsel von Rotor-Stator-Mischern und Hochdruckhomogenisatoren zu einem Ultraschallsystem ergibt. Es zeigt sich eine deutliche Energieersparnis, die, besonders über einen längeren Zeitraum betrachtet, zur Kostensenkung des Prozessablaufes beiträgt.

Reibungswärme ist ungenutzte, verlorene Energie

Konventionelle Systeme verlieren viel Energie in Form von Reibungswärme. Hochdruckpumpen für Hochdruckhomogenisatoren ebenso wie Hoch-Schermischer und Perlmühlen lassen hohe Turbulenzen (Verwirbelungen) in den behandelten Flüssigkeiten entstehen. Diese Turbulenzen verursachen Reibung zwischen den Flüssigkeitspartikeln selbst und auch zwischen der Flüssigkeit und den Maschinenteilen, die in Bewegung versetzt werden. Dabei wird die zugeführte Energie durch die Reibung in Reibungswärme umgesetzt. Dieser Anteil der zugeführten Energie ist verloren, da durch sie keinerlei dispergierende, homogenisierende oder mahlende Effekte erzeugt werden.

Entsprechend dem Vergleich zwischen einer normalen, konventionellen Glühbirne und einer Leuchtstoffröhre, so wandelt auch eine konventionelle Mischanlage einen großen Teil der Energie in Wärme um. Deshalb ist ein größerer Energieaufwand nötig, um die gleiche Wirkung zu erreichen.

Bei den konventionellen Mischanlagen macht die entstehende Reibungswärme außerdem ein Kühlen der behandelten Flüssigkeiten während des Prozesses notwendig, um ein Überhitzen zu vermeiden. Hier muss zusätzliche Energie für die Kühlung aufgewendet werden.

Hielscher Ultraschallgeräte sind äußerst effizient beim Umwandeln der elektrischen Energie in mechanische Schwingungen, die schließlich in die Flüssigkeit übertragen werden und dort Kavitation erzeugen. Die Gesamtenergieeffizienz der Ultraschallindustriegeräte beträgt ungefähr zwischen 80-90%. Diese Energieeffizienz bezieht sich auf die Energieumwandlung, die sich zwischen dem Netzstecker und der zu beschallenden Flüssigkeit abspielt

(Klicken Sie auf die obere Grafik, um diese zu vergrößern).

Noch wichtiger sind allerdings die Kavitationskräfte, die eine hohe Reaktionskraft auf die Partikel freisetzen. Deshalb wird generell weniger Energie benötigt, um eine sehr gute, feine Dispersion oder Emulsion oder eine niedrigere Partikelgröße zu erhalten. Auch Hielscher Ultraschall erzeugt Reibungswärme, allerdings zu einem wesentlich geringeren Anteil als mechanische Standardmischer. Die Konsequenz dieses geringeren Energieverlusts in Reibungswärme ist eine zusätzlich höhere Effizienz, die daraus resultiert, dass weniger Energie aufgewendet werden muss, um denselben Dispersion- oder Homogenisationsgrad zu erreichen. Dies wiederum verringert auch die Energie, die zum Kühlen der behandelten Flüssigkeit benötigt wird.

Beispiel: Der Prozess der Biodieselgewinnung

Speziell bei der Herstellung alternativer und zukunftsfähiger Kraftstoffe, so wie z. B. Biodiesel, sind Energieverbrauch und Energieersparnis von höchster Bedeutsamkeit. Die elektrische Energie bzw. der Strom, der zur Gewinnung „grüner“, umweltfreundlicher Kraftstoffe verbraucht wird, wirkt sich direkt auf die Gesamtenergiebilanz des Kraftstoffes und auf die CO₂-Balance aus

Die Grafik rechts (Klicken Sie auf die Grafik für eine größere Ansicht)

zeigt einen Vergleich zwischen dem Mischen mit Ultraschallkavitation, dem Hoch-Schermischen und dem Mischen durch hydrodynamische Kavitation. Werden Hielscher Ultraschallgeräte bei der Herstellung von Biodiesel eingesetzt, sind ungefähr 1,4kWh/m³ nötig. Um ein ähnliches Ergebnis mit einem hydrodynamischen Mischer zu erzielen, sind ungefähr 32,0kWh/m³ an Energieaufwand erforderlich. Hochschermischer brauchen ungefähr 4,4kWh/m³ für denselben Effekt, den Ultraschallkavitation mit 1,4kWh/m³ erreicht.

Dies bedeutet, dass hydrodynamische Impulskavitation ca. 23-mal mehr Energie und Hochschermischer ca. 3-mal mehr Energie verbrauchen, um die gleiche Wirkung zu erzielen wie ein Hielscher Ultraschallgerät. Daraus ergeben sich jährlich bedeutend höhere Energiekosten. Diese Energiekosten sind ein beträchtlicher Kostenfaktor, den ein Biodieselproduzent durchaus beachten muss, wenn er in Prozesstechnologien zur Biodieselherstellung investiert.

Eine problemlose Umstellung

Hielscher Ultraschallgeräte können einfach und problemlos in kleinerem Maßstab auf ihre Prozesseffizienz getestet werden. Normalerweise wird der UIP1000hd (1kW) in der Prozessentwicklung eingesetzt, da der UIP1000hd problemlos Durchflussraten von 0,5l bis 1000l pro Stunde bewältigt. In diesem Größenmaßstab kann die Prozesseffizienz durch das Variieren der Amplitude, des Druckes und der Durchflussrate optimal getestet und verbessert werden. Als Ergebnis erhalten Sie eine genaue Angabe des Energiebedarfs für das von Ihnen angestrebte Verfahren. Hielscher Ultraschallgeräte ermöglichen ein lineares Scale-up, weil der Energiebedarf pro Volumen und die daraus resultierende Leistung pro Durchflussrate bei jedem Größenmaßstab der Anlage gleich bleiben. Dadurch wissen Sie genau, wie hoch die Prozesskapazität und der jährliche Energieverbrauch sind.