المجانسات – مبدأ العمل والاستخدام والتوسع

المجانسات هي نوع من الخلاطات ، التي تطبق قوى ميكانيكية لمزج واستحلاب وتشتيت وإذابة الأنظمة السائلة والسائلة والسائلة الصلبة. اعتمادا على القص الدوراني لنموذج المجانس ، يتم استخدام الفوهات أو الموجات فوق الصوتية عالية الطاقة لإنشاء القوى المطلوبة لتفكيك وتفتيت الجسيمات الصلبة وكذلك القطرات السائلة. تعرف على المزيد حول أجهزة التجانس وتطبيقاتها في البحث والإنتاج!

ما هو المجانس؟

المجانس هو فئة من أجهزة الخلط ، والتي تم تصميمها لكسر الجسيمات ، الصلبة والسائلة على حد سواء ، إلى خليط موحد. تتوفر المجانسات كمختبر ، ومقاعد البدلاء ، والمعدات الصناعية المستخدمة في مختلف التطبيقات في مجال البحوث والصناعة. يشمل التطبيق النموذجي للمجانس خلط وتفكك المواد المختلفة ، بما في ذلك الجسيمات والأصباغ والمواد الكيميائية والنباتات والغذاء والخلايا والأنسجة وغيرها.

نظرة عامة على أنواع مختلفة من المجانسات

تتوفر أنواع مختلفة من المجانسات تجاريا للاستخدام في الإنتاج على نطاق واسع والصناعي على نطاق واسع. ومع ذلك ، فإن خلاطات الدوار / الجزء الثابت (الغروانية) ، والمجانسات عالية الضغط ، والمجانسات بالموجات فوق الصوتية هي النماذج الأكثر استخداما.
خلاطات المكره أو الشفرات لديك شفرة دوارة ، والتي تدور بسرعة عالية في الجزء السفلي من وعاء الخلط وبالتالي الجمع بين مواد مختلفة في خليط متجانس.
كاسم ل خلاط الدوار/الجزء الثابت يعني بالفعل ، خلاط الدوار / الجزء الثابت يحتوي على دوار ومكون الجزء الثابت. الدوار عبارة عن عمود معدني يدور بسرعات عالية داخل الجزء الثابت. الجزء الثابت هو الجزء المعدني الذي لا يزال ثابتا. يخلق دوران الدوار تأثير شفط يحرك المادة الصلبة السائلة بين الجزء الثابت والدوار ، حيث يتم تقليل المواد الصلبة إلى حجم جسيمات أصغر.
مبدأ عمل مجانس الضغط العالي (HPH) يعتمد على استخدام مضخة الضغط العالي والصمام (فوهة ، فتحة) ، مما يجعل المعدات كبيرة وثقيلة ومكلفة. يتم إجبار الملاط المعالج بسرعة تدفق عالية من خلال فتحة صغيرة ، مما يقلل من حجم الجسيمات لأن الجسيمات تتطلب حجما صغيرا معينا من أجل المرور عبر الصمام. خاصة عند معالجة المواد الصلبة ، تكون HPHs عرضة للانسداد.
الخالطون بالموجات فوق الصوتية استخدام قوى القص العالية الناتجة عن التجويف الصوتي ، مما يمنحها مزايا مختلفة على تقنيات التجانس الأخرى. يتم عرض مبدأ العمل وفوائد التجانس بالموجات فوق الصوتية أدناه.

الموجات فوق الصوتية عالية الطاقة كقوة تجانس

يستخدم المجانس بالموجات فوق الصوتية اهتزازات وتجويف بالموجات فوق الصوتية عالية الكثافة لإنشاء قوى قص مكثفة للغاية ، وبالتالي يمكن أن يطلق عليه خلاط القص العالي المكثف. السر وراء قوى القص العالية المكثفة للغاية هو التجويف الصوتي ، الذي يتم إنشاؤه بواسطة موجات الموجات فوق الصوتية عالية الطاقة. يحتوي المجانس بالموجات فوق الصوتية على مولد ، وهو وحدة إمداد الطاقة والتحكم ، ومحول الطاقة. يحتوي محول الطاقة على سيراميك كهربائي ضغطي. هذه السيراميك الكهرضغطية تحول الطاقة الكهربائية إلى تذبذب ، لأن البلورات الكهرضغطية تغير حجمها وشكلها عند تطبيق الجهد. عندما يكون تردد المذبذب الإلكتروني مساويا للتردد الطبيعي للكوارتز الكهرضغطي ، يحدث الرنين. في ظل ظروف الرنين ، ينتج الكوارتز موجات فوق صوتية طولية ذات سعة كبيرة.
ثم تقترن الموجات فوق الصوتية المتولدة عبر مسبار الموجات فوق الصوتية (sonotrode / horn) في وسط العملية. تحدد السعة في مسبار الموجات فوق الصوتية شدة الموجات فوق الصوتية ، والتي تنتقل إلى السائل أو الملاط. تولد الموجات فوق الصوتية دورات ضغط عال وضغط منخفض بالتناوب في الوسائط السائلة. خلال دورة الضغط المنخفض ، تنتج الموجات فوق الصوتية عالية الكثافة فقاعات فراغ صغيرة في السائل. خلال دورة الضغط العالي ، تنهار فقاعات الفراغ الصغيرة بشكل مدمر. وتسمى هذه الظاهرة التجويف. قد يؤدي انفجار فقاعات التجويف أيضا إلى توليد نفاثات سائلة بسرعة عالية تصل إلى 280 م / ث ، مما يؤدي إلى قوى قص قوية. تعمل قوى القص على كسر الجسيمات ، وتسبب تصادما بين الجسيمات وتعطل القطرات والخلايا ميكانيكيا ، مما يعزز في الوقت نفسه نقل الكتلة بكفاءة عالية. تنتج هذه القوى التجويفية تشتتات ومستحلبات ومعلقات موحدة ومتجانسة ومن المعروف أيضا أنها تعزز التفاعلات الكيميائية (ما يسمى بالكيمياء الصوتية).

يخلق التجويف الصوتي (الناتج عن الموجات فوق الصوتية عالية الطاقة) ظروفا قاسية محليا ، ما يسمى بالتأثيرات الصوتية الميكانيكية والكيميائية الصوتية. بسبب هذه التأثيرات ، تقلل الصوتنة من الجسيمات الصلبة والسائلة وتمزجها في تركيبة متجانسة.

الخالطون بالموجات فوق الصوتية – مزايا

المجانسات بالموجات فوق الصوتية متفوقة ، عندما يتعلق الأمر بإنتاج المواد الصلبة السائلة (ما يسمى بالطين) والمعلقات والحلول السائلة السائلة. نظرا لأن أجهزة الموجات فوق الصوتية تستخدم مبدأ عمل التجويف بالموجات فوق الصوتية ، يجب أن تكون المادة رطبة أو في مرحلة رطبة ، لأن التجويف يحدث فقط في السائل. هذا يعني أن جهاز الموجات فوق الصوتية لن يكون فعالا للغاية في خلط مسحوق جاف ، ولكن بمجرد أن يبلل المسحوق ، فإن الصوتنة هي الطريقة الأكثر فعالية للمزج. من المعروف جيدا أن المجانسات بالموجات فوق الصوتية تخلط وتمزج وتشتت حتى المعاجين والمواد عالية اللزوجة. إن القوى الشديدة بشكل غير عادي الناجمة عن انفجار فقاعات التجويف لا تخلق قوى قص عالية قوية للغاية فحسب ، بل تخلق أيضا درجات حرارة وضغوط عالية محصورة محليا بالإضافة إلى الفروق ذات الصلة. هذا المزيج من القوى الفيزيائية يعطل الجسيمات إلى أحجام أصغر بكثير من المجانس التقليدي. لذلك ، فإن المجانسات بالموجات فوق الصوتية هي المعدات المفضلة للإنتاج الموثوق به للمستحلبات والتشتتات النانوية الحجم.

تطبيقات المجانسات بالموجات فوق الصوتية

تستخدم المجانسات بالموجات فوق الصوتية على نطاق واسع في المنشآت المختبرية والصناعية لتجانس المعلقات الصلبة والسائلة والسائلة ، وتقليل حجم الجسيمات ، وتعطيل واستخراج المواد البيولوجية ، وتكثيف التفاعلات الكيميائية وإذابة المركبات القابلة للذوبان.

بالموجات فوق الصوتية الاستحلاب

الاستحلاب هو عملية مزج سائلين أو أكثر من السوائل غير القابلة للامتزاج معا من أجل تحضير خليط مستقر أو شبه مستقر. بشكل عام ، يتكون هذان السائلان من مرحلة زيتية ومرحلة مائية (مائية). لتحقيق الاستقرار في خليط المراحل السائلة المختلفة ، تتم إضافة مستحلب (فاعل بالسطح / فاعل بالسطح مشترك). يلعب حجم قطرة المستحلب دورا حاسما عندما يتعلق الأمر بوظيفة واستقرار المستحلب. نظرا لأن الموجات فوق الصوتية تخلق قوى صوتية ميكانيكية ، والتي تفكك القطرات وتخفضها إلى قطرات دقيقة ، فإن الصوتنة هي طريقة شائعة جدا لإنتاج مستحلبات ميكرون ونانو. المجانسات بالموجات فوق الصوتية هي أداة موثوقة لإنتاج مستحلبات O / W و W / O ، المستحلبات العكسية ، المستحلبات المزدوجة (O / W / O ، W / O / W) ، المستحلبات المصغرة وكذلك مستحلبات بيكرينغ. بناء على هذه المرونة والقدرة الموثوقة على الاستحلاب ، يتم استخدام المجانسات بالموجات فوق الصوتية (تسمى أحيانا أيضا المستحلبات بالموجات فوق الصوتية عند استخدامها للاستحلاب) على سبيل المثال ، في الصناعة الكيميائية والغذائية والصيدلانية والوقود لإنتاج مستحلبات مستقرة على المدى الطويل.
انقر على الروابط التالية لمعرفة المزيد حول نانو مستحلباتو بيكرينغ مستحلبات!

بالموجات فوق الصوتية التشتت

المجانسات بالموجات فوق الصوتية فعالة للغاية عندما يجب تقليل حجم تكتلات الجسيمات والمجاميع وحتى الجسيمات الأولية بشكل موثوق. ميزة المجانسات بالموجات فوق الصوتية هي قدرتها على طحن الجسيمات وصولا إلى أحجام جسيمات أصغر وأكثر اتساقا ، سواء تم استهداف الجسيمات الميكرونية أو النانوية كنتيجة للعملية. تعمل قوى القص التجويف والتيارات السائلة على تسريع الجسيمات بحيث تصطدم ببعضها البعض. ويعرف هذا باسم تصادم الجسيمات البينية. تعمل الجسيمات نفسها كوسيط طحن ، والذي يتجنب التلوث عن طريق طحن الخرز وعملية الفصل اللاحقة ، وهو أمر ضروري عند استخدام مطاحن الخرز التقليدية. نظرا لأن الجسيمات تتصادم عن طريق تصادم الجسيمات بسرعات عالية جدا تصل إلى 280 م / ثانية ، فإن القوى العالية بشكل غير عادي تنطبق على الجسيمات ، والتي تتحطم بالتالي إلى أجزاء دقيقة. يعطي الاحتكاك والتآكل تلك الشظايا الجسيمية سطحا مصقولا وشكلا موحدا. مزيج من قوى القص وتصادم الجسيمات البينية يعطي التجانس بالموجات فوق الصوتية والتشتت الحافة المفيدة التي توفر معلقات غروية متجانسة للغاية وتشتت!
يصور تسلسل الصورة أدناه القوى التجوفية للموجات فوق الصوتية على رقائق الجرافيت.

تسلسل عالي السرعة (من a إلى f) من الإطارات التي توضح تقشير سونو ميكانيكي رقاقة الجرافيت في الماء باستخدام UP200S، وهو 200W بالموجات فوق الصوتية مع سونوترود 3 ملم. تظهر الأسهم مكان الانقسام (التقشير) مع فقاعات التجويف التي تخترق الانقسام.
© تيمورنا وآخرون 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

تشتت وتجانس المواد النانوية

بالنسبة لكل من المستحلبات والتشتت ، يعد تحضير مخاليط نانوية الحجم مهمة صعبة. معظم تقنيات التجانس والمزج التقليدية مثل خلاطات الشفرات ومطاحن الخرز والمجانسات عالية الضغط وغيرها من الخلاطات قادرة على إنتاج جزيئات بحجم ميكرون ، لكنها لا تستطيع كسر القطرات والمواد الصلبة بشكل موثوق به إلى حجم النانو. هذا يرجع في الغالب إلى عدم كفاية الكثافة. على سبيل المثال ، لا توفر خلاطات الشفرات قصا كافيا لكسر الجسيمات إلى حجم النانو. لا تستطيع مطاحن الخرز ، وهي نوع آخر من المجانسات ، طحن المواد الصلبة بشكل موحد إلى حجم جسيمات أدق من الخرز (وسائط الطحن) نفسها. يبلغ متوسط حجم حبات الطحن التقليدية 1500 مم – 35,000 ملم. مشكلة أخرى هي التلوث عن طريق البلى من وسط الطحن. نظرا لأن أجهزة الموجات فوق الصوتية توفر قوى قص عالية بشكل غير عادي ، ولكن يمكن التحكم فيها بدقة ، فإن التجويف بالموجات فوق الصوتية هو التقنية المفضلة للإنتاج الموثوق به لتشتت النانو والمستحلبات النانوية في المختبر (R&D) ، والإعداد التجريبي والصناعي.

توسيع نطاق عمليات التجانس بالموجات فوق الصوتية

عند التوسع من مجانس بالموجات فوق الصوتية المختبري إلى جهاز الموجات فوق الصوتية التجريبي ، ومن نظام تجريبي إلى مجانس بالموجات فوق الصوتية واسع النطاق ، يمكن تطبيق التوسيع خطيا تماما! يتم الحفاظ على جميع معلمات العملية المهمة مثل السعة والضغط ودرجة الحرارة ووقت المعالجة ثابتة ، ويتم تحجيم مساحة سطح المسبار بالموجات فوق الصوتية فقط والموجات فوق الصوتية كمحرض نشط للمسبار إلى وحدات أكبر وأكثر قوة. تسمح قابلية التوسع الخطي لعمليات التجانس بالموجات فوق الصوتية بالحصول في الإنتاج الكبير على نفس النتائج عالية الجودة كما هو الحال في إعدادات المختبر والتجريبية.

العثور على المجانس بالموجات فوق الصوتية الأكثر ملاءمة لعمليتك!

Hielscher الموجات فوق الصوتية هو لك شريك من ذوي الخبرة منذ فترة طويلة للمجانسات بالموجات فوق الصوتية. تم تصميم جميع أجهزة الموجات فوق الصوتية Hielscher وتصنيعها واختبارها في مقرنا الرئيسي في ألمانيا قبل شحنها إلى عملائنا في جميع أنحاء العالم. المجانسات بالموجات فوق الصوتية HIELSCHER هي أجهزة عالية الجودة مفحمة بالأداء العالي المستمر والموثوقية والمتانة وسهولة الاستخدام. التطور التقني لتكنولوجيا التجانس بالموجات فوق الصوتية تعطي مستخدمي معدات Hielscher مزايا تنافسية ، مما يجعلهم في السوق الرائدة في صناعتهم. مع مجموعة واسعة من المنتجات من المجانسات المختبرية ومقاعد البدلاء ، والأنظمة التجريبية والمجانسات بالموجات فوق الصوتية الصناعية الكاملة للإنتاج التجاري ، فإن Hielscher لديها نظام خلط بالموجات فوق الصوتية المثالي لمتطلباتك. تسمح الملحقات المتعددة بإعداد المجانس بالموجات فوق الصوتية المثالي – مطابقة الاحتياجات الفردية.
أخبرنا بمتطلبات العملية ومواصفاتها – سوف نوصيك بكل سرور المجانس بالموجات فوق الصوتية الأكثر ملاءمة وكفاءة لتطبيقك!

كفاءة عالية مع المجانسات بالموجات فوق الصوتية

نظرا لكفاءة العملية غير العادية ، وتكاليف الاستثمار المعقولة ، وكفاءة الطاقة العالية جدا وتكاليف العمالة والصيانة المنخفضة ، فإن المجانسات بالموجات فوق الصوتية Hielscher تتفوق على تقنيات التجانس التقليدية وتحقق عائدا سريعا (العائد على الاستثمار). في كثير من الأحيان ، يتم استهلاك مجانس بالموجات فوق الصوتية في غضون بضعة أشهر.

الموجات فوق الصوتية عالية الطاقة للتجانس الصناعي

السعة هي أهم معلمة عملية في عمليات التجانس التي تعتمد على الموجات فوق الصوتية. تسمح جميع أجهزة الموجات فوق الصوتية Hielscher بالتحكم الدقيق في السعة. اعتمادا على هدف العملية ، يمكن تعيين سعة أقل لظروف المعالجة الأكثر اعتدالا أو يتم اختيار سعة عالية للحصول على نتائج تشتت أكثر تدميرا. هيلشر الموجات فوق الصوتية’ المعالجات بالموجات فوق الصوتية الصناعية يمكن أن توفر السعات عالية جدا. يمكن تشغيل السعات التي تصل إلى 200μm بسهولة في عملية 24/7. للحصول على السعات أعلى، sonotrodes الموجات فوق الصوتية المخصصة المتاحة.

متطلبات صيانة منخفضة للمجانسات بالموجات فوق الصوتية

المجانسات بالموجات فوق الصوتية ليست فقط سهلة التنظيف لأن sonotrode والمفاعل هي المكونات الوحيدة التي هي أجزاء رطبة وتتلامس مع المواد المعالجة. Sonotrode (المعروف أيضا باسم القرن بالموجات فوق الصوتية أو التحقيق) والمفاعل مصنوعان من التيتانيوم والفولاذ المقاوم للصدأ ، على التوالي ولهما هندسة نظيفة بدون فتحات أو زوايا ميتة.
الجزء الوحيد الذي يخضع للتآكل والتمزق هو مسبار الموجات فوق الصوتية ، والذي يمكن استبداله دون تعطيل كبير للعملية. يتم تغيير sonotrode من الموجات فوق الصوتية المختبر في غضون حوالي 10 دقائق ، في حين أن تغيير sonotrode من مجانس بالموجات فوق الصوتية الصناعية قد يستغرق حوالي 30-45 دقيقة.

الجدول أدناه يعطيك مؤشرا على قدرة المعالجة التقريبية لultrasonicators لدينا: