Ultraschall-Homogenisation in der Labor-Praxis

Die Haupteinsatzgebiete von Ultraschall-Homogenisatoren bestehen aus den folgenden Bereichen:

- Aufschluss von Zellen, Bakterien, Viren, Sporen,Pilzen oder Geweben (Zellaufschluss)

- Extraktion von Inhaltsstoffen (Lyse)

- Homogenisieren von Substanzen aller Art

- Herstellen von feinsten Emulsionen mit minimaler Tröpfchengröße

- Auflösen schwer- und schwerstlöslicher Substanzen in Flüssigkeiten

- Herstellung von Dispersionen und Suspensionen

- Katalyse und Beschleunigung von chemischen Reaktionen.

Daneben gibt es aber auch eine Vielzahl von speziellen Anwendungen in der Chemie, Biologie und in verschiedenen technischen Bereichen. So haben Ultraschall-Homogenisatoren in den letzten Jahren zunehmende Bedeutung in der Krebsforschung zur Präparation von Liposomen erlangt. Auch die Homogenisation von Zell-Suspensionen zur Virengewinnung oder das Ablösen von Proteinen aus partikulären Strukturen sind medizinische Anwendungsbeispiele.

Die technischen Einsatzmöglichkeiten reichen von der Farben- und Lackherstellung unter Ultraschalleinsatz über die Abwasser-Homogenisierung bis hin zum Bohrkernaufschluss von Bodenproben für Analysezwecke oder der Korngrößenbestimmung in der Mineralanalyse. In der SONOCHEMIE sind vor allem solche Anwendungen interessant, die Reaktionen beschleunigen. So lässt sich zum Beispiel die Reaktionsfähigkeit von Metallen wie Lithium, Magnesium, Zink oder Aluminium steigern, indem man durch Beschallung die Oxidüberzüge an ihren Oberflächen beseitigt. Auch bei Reaktionen mit Pudern hat Ultraschall eine katalytische Wirkung: Die Katalysatorteilchen werden durch die Kavitation zerkleinert und es entsteht eine größere Reaktionsoberfläche. Nickelpulver steigert z.B. seine katalytische Wirkung bei Beschallung um mehr als das 100 000fache.

Homogenisatoren lassen sich auch zur Bildung metallorganischer Verbindungen, zur Zerstörung hochmolekularer Ketten (Depolymerisation) oder zur Verschmelzung von Metallteilchen in Flüssigkeiten einsetzen. Das schnelle lokale Aufheizen und Abkühlen durch die ultraschallbedingte "Kavitation" in Flüssigkeiten ermöglicht auch die Zerlegung von H2O in extrem reaktive H+ - und OH- - Radikale. Und das "Cracking" von Alkanen (Hauptbestandteile von Rohöl) in gewünschte kleinere Fragmente (z.B. Benzin), das üblicherweise bei Temperaturen über 500 °C stattfindet, gelingt unter Ultraschalleinsatz bereits bei Zimmertemperatur.

Im Labor des Deutschen Roten Kreuzes in Berlin wurde eine Entdeckung gemacht, die beim sogenannten Vaterschaftstest eine Menge Zeit und Arbeit spart: Zur Vorbereitung der umfangreichen Analysen lassen sich Ultraschall-Homogenisatoren einsetzen. Damit wird ein stromafreies Hämolysat hergestellt, eine Blutlösung, bei der das Zellgrundgewebe entfernt worden ist. Normalerweise müsste man dazu Toluol bei 4 °C mindestens eine halbe Stunde lang auf die Lösung einwirken lassen und dann von Hand das Gewebe (= Stroma) in Toluol ausschütteln. Mit einem Ultraschall-Homogenisator dagegen "beschallt" man einfach die Blutlösung wenige Sekunden und zerstört damit das Zellgerüst mechanisch. Die Lagerung und das Ausschütteln entfallen, die Aufarbeitungszeit wird von mehr als 30 Minuten auf etwa 5 Sekunden reduziert. Dieses ausführliche Beispiel kennzeichnet schon einige wesentliche Aspekte der praktischen Anwendung von Ultraschall-Homogenisatoren:

Bestimmte Substanzen können gezielt zerstört werden, langwierige Prozeduren lassen sich radikal vereinfachen, die Ausbeute von vielen Reaktionen wird erhöht und immer wieder finden sich neue, noch unbekannte Anwendungsmöglichkeiten. Die Ultraschallforschung zeigt sich dabei als faszinierendes Gebiet, das den Forscher immer wieder mit überraschenden Ergebnissen konfrontiert. So kann man zum Beispiel lange Molekülketten durch Ultraschall aufbrechen, wenn sie ein entsprechend hohes Molekulargewicht haben. Bestimmte Makromoleküle dagegen nehmen an Größe und Komplexität sogar noch zu, wenn sie Ultraschall ausgesetzt werden. Polio und andere Viren werden durch Beschallung äußerlich nicht verändert, (d.h. sie brechen nicht auf) – überraschenderweise lassen sie sich aber auf diese Weise leicht abtöten. Und ein letztes Beispiel: Die Hefe Saccharomyces globulus enthält normalerweise keine Spur des Enzyms Invertase, das Sucrose spaltet. Durch die Anwendung von Ultraschall jedoch lässt sich auf einmal Invertase nachweisen (wahrscheinlich war das Enzym in einer chemisch inaktiven Form vorhanden und wurde durch die Ultraschallwellen sozusagen aus einem chemischen Dornröschenschlaf geweckt). Abschließend soll der Vollständigkeit halber noch eine ganz andere Anwendung von Ultraschallwellen genannt werden - als unterstützendes Mittel zur Reinigung von Gegenständen aller Art.

Die Kavitation löst in der Flüssigkeit auch Mikroströmungen- sog. "jet-streams" - aus, die in der Lage sind, selbst hartnäckigsten Schmutz von einer Oberfläche zu lösen. Und weil die Kavitation überall da stattfindet, wo auch die Ultraschallwellen in der Flüssigkeit hingelangen, eignet sich diese Methode ideal zur Reinigung von komplizierten, verwinkelten Bauteilen, die sonst nur schlecht oder gar nicht zugänglich sind: Werkzeuge, Ventile, Düsen, zusammengesetzte Baugruppen, Lötrahmen, Leiterplatten usw. Für solche Anwendungen produzieren jedoch Ultraschall-Homogenisatoren ein zu kleines Kavitationsfeld – man benutzt deshalb Reinigungswannen. Durch eine Vielzahl von piezokeramischen Schwingern, am Boden angebracht oder von außen in die Wanne eingehängt, wird erreicht, dass im gesamten Flüssigkeitsvolumen Kavitation erzeugt wird.

Mehr zur Funktionsweise eines Ultraschall-Homogenisators und der Entstehung von Kavitation und Aplitudengrößen in Abhängigkeit von der Leistung, Beschallungsvolumen und Temperatur.