المجانسات – مبدأ العمل والاستخدام والتوسع
المجانسات هي نوع من الخلاطات ، التي تطبق قوى ميكانيكية لمزج واستحلاب وتفريق وإذابة أنظمة السائل السائل والسائل الصلب. اعتمادا على القص الدوراني لنموذج الخالط ، يتم استخدام الفوهات أو الموجات فوق الصوتية عالية الطاقة لإنشاء القوى المطلوبة لتفكيك وتفتيت الجسيمات الصلبة وكذلك قطرات السائل. تعرف على المزيد حول أجهزة الخالط وتطبيقاتها في البحث والإنتاج!
ما هو الخالط؟
الخالط هو فئة من أجهزة الخلط ، والتي تم تصميمها لكسر الجسيمات ، الصلبة والسائلة ، إلى خليط موحد. تتوفر المجانسات كمعدات مختبرية ومنضدة وصناعية تستخدم في تطبيقات مختلفة في البحث والصناعة. يشمل التطبيق النموذجي للخالط خلط وتفكك المواد المختلفة ، بما في ذلك الجسيمات والأصباغ والمواد الكيميائية والنباتات والغذاء والخلايا والأنسجة وغيرها.
يرجى الاتصال بنا لمعرفة المزيد عن المجانسات ، صوتنة وكيف يمكنك استخدام صوتياتنا لعمليتك!
MultiSonoReactor MSR-4 هو خالط مضمن صناعي مع الموجات فوق الصوتية بقوة 16000 واط للتطبيقات الصعبة مثل تشتت النانو ومستحلبات النانو.
نظرة عامة على أنواع الخالط المختلفة
تتوفر أنواع مختلفة من الخالط تجاريا للاستخدام في الإنتاج على مقاعد البدلاء والإنتاج الصناعي على نطاق واسع. ومع ذلك ، فإن الخلاطات الدوارة / الجزء الثابت (الغروانية) ، والمجانسات عالية الضغط ، والمجانسات بالموجات فوق الصوتية هي النماذج الأكثر استخداما.
تحتوي خلاطات المكره أو الشفرة على شفرة دوارة ، تدور بسرعة عالية في قاع وعاء الخلط وبالتالي تجمع بين المواد المختلفة في خليط متجانس.
كما يوحي اسم خلاط الدوار / الجزء الثابت بالفعل ، يحتوي خلاط الدوار / الجزء الثابت على دوار ومكون الجزء الثابت. الدوار عبارة عن عمود معدني يدور بسرعات عالية داخل الجزء الثابت. الجزء الثابت هو الجزء المعدني الذي يظل ثابتا. يخلق دوران الدوار تأثير شفط يحرك المادة الصلبة السائلة بين الجزء الثابت والدوار ، حيث يتم تقليل المواد الصلبة إلى حجم جسيمات أصغر.
يعتمد مبدأ عمل الخالط عالي الضغط (HPH) على استخدام مضخة الضغط العالي وصمام (فوهة ، فتحة) ، مما يجعل المعدات كبيرة وثقيلة ومكلفة. يتم دفع الملاط المعالج بسرعة تدفق عالية من خلال فتحة صغيرة ، مما يقلل من حجم الجسيمات حيث تتطلب الجسيمات حجما صغيرا معينا من أجل المرور عبر الصمام. خاصة عند معالجة المواد الصلبة ، تكون HPHs عرضة للانسداد.
تستخدم المجانسات بالموجات فوق الصوتية قوى القص العالية الناتجة عن التجويف الصوتي ، مما يمنحها مزايا مختلفة مقارنة بتقنيات التجانس الأخرى. يتم عرض مبدأ العمل وفوائد التجانس بالموجات فوق الصوتية أدناه.
الموجات فوق الصوتية عالية الطاقة كقوة متجانسة
يستخدم الخالط بالموجات فوق الصوتية اهتزازات فوق صوتية عالية الكثافة وتجويف لإنشاء قوى قص شديدة للغاية ، وبالتالي يمكن تسميته بخلاط عالي القص فائق الكثافة. السر وراء قوى القص العالية فائقة الكثافة هو التجويف الصوتي ، الذي يتم إنشاؤه بواسطة الموجات فوق الصوتية عالية الطاقة. يحتوي الخالط بالموجات فوق الصوتية على مولد ، وهو وحدة إمداد الطاقة والتحكم ، ومحول الطاقة. يحتوي محول الطاقة على سيراميك كهرضغطية. تقوم هذه السيراميك الكهرضغطية بتحويل الطاقة الكهربائية إلى تذبذب ، لأن البلورات الكهرضغطية تغير حجمها وشكلها عند تطبيق الجهد. عندما يكون تردد المذبذب الإلكتروني مساويا للتردد الطبيعي للكوارتز الكهرضغطية ، 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 / القرن) في وسط العملية. تحدد السعة في مسبار الموجات فوق الصوتية شدة الموجات فوق الصوتية ، والتي تنتقل إلى السائل أو الطين. تولد الموجات فوق الصوتية دورات متناوبة للضغط العالي والضغط المنخفض 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 تصادم بين الجسيمات وتعطيل القطرات والخلايا ميكانيكيا ، مما يعزز في نفس الوقت نقل الكتلة عالي الكفاءة. تنتج قوى التجويف هذه مشتتات ومستحلبات ومعلقات موحدة ومتجانسة ومن المعروف أيضا أنها تعزز التفاعلات الكيميائية (ما يسمى بكيمياء الصوت).
يخلق التجويف الصوتي (الناتج عن الموجات فوق الصوتية عالية الطاقة) ظروفا قاسية محليا ، ما يسمى التأثيرات الميكانيكية والكيميائية الصوتية. بسبب هذه التأثيرات ، يقلل صوتنة الجسيمات الصلبة والسائلة ويمزجها في تركيبة متجانسة.
التجويف بالموجات فوق الصوتية في مسبار كاسكاترود من الموجات فوق الصوتية UIP1000hdT (1000 واط ، 20 كيلو هرتز) في مفاعل زجاجي. يستخدم الضوء الأحمر من الأسفل لتحسين رؤية التجويف.
المجانسات بالموجات فوق الصوتية – مزايا
المجانسات بالموجات فوق الصوتية متفوقة ، عندما يتعلق الأمر بإنتاج السائل الصلب (ما يسمى الملاط) والمعلقات والحلول السائلة السائلة. نظرا لأن 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. وهذا يعني أن الموجات فوق الصوتية لن تكون فعالة جدا في خلط مسحوق جاف، ولكن بمجرد أن يحصل على مسحوق الرطب، صوتنة هي الطريقة الأكثر فعالية للمزج. من المعروف أن المجانسات بالموجات فوق الصوتية تخلط وتمزج وتشتيت حتى المعاجين والمواد عالية اللزوجة بشكل موثوق. لا تخلق القوى الشديدة بشكل غير عادي الناتجة عن انفجار فقاعات التجويف قوى عالية القص قوية جدا فحسب ، بل تخلق أيضا درجات حرارة وضغوط عالية محصورة محليا بالإضافة إلى الفروق ذات الصلة. هذه المجموعة من القوى الفيزيائية تعطل الجسيمات إلى أحجام أصغر بكثير من الخالط التقليدي. لذلك ، فإن المجانسات بالموجات فوق الصوتية هي المعدات المفضلة للإنتاج الموثوق للمستحلبات والتشتتات بحجم النانو.
- كفاءة ممتازة
- قادرة على توفير طاقة عالية التركيز
- نتائج متفوقة في ميكرون ونانو
- للمستحلبات والتشتتات بحجم ميكرون ونانو
- أي حجم من مل إلى طن / ساعة
- دفعة ومضمنة
- لتمريرة واحدة وإعادة التدوير
- تحكم دقيق في العملية
- عملية بسيطة
- سهولة التنظيف
- صيانة منخفضة
تطبيقات المجانسات بالموجات فوق الصوتية
تستخدم الخالطات بالموجات فوق الصوتية على نطاق واسع في المختبرات والمنشآت الصناعية لتجانس المعلقات الصلبة السائلة والسائلة والسائلة ، وتقليل حجم الجسيمات ، وتعطيل واستخراج المواد البيولوجية ، وتكثيف التفاعلات الكيميائية وإذابة المركبات القابلة للذوبان.
الاستحلاب بالموجات فوق الصوتية
الاستحلاب هو عملية مزج سائلين غير قابلين للامتزاج معا من أجل تحضير خليط مستقر أو شبه مستقر. بشكل عام ، يتكون هذان السائلان من مرحلة زيت ومرحلة مائية (ماء). لتحقيق الاستقرار في خليط المراحل السائلة المختلفة ، تتم إضافة مستحلب (الفاعل بالسطح / الفاعل بالسطح المشترك). يلعب حجم قطرة المستحلب دورا مهما عندما يتعلق الأمر بوظيفة المستحلب واستقراره. نظرا لأن الموجات فوق الصوتية تخلق قوى صوتية ميكانيكية ، والتي تكسر القطرات وتقللها إلى قطرات دقيقة ، فإن صوتنة 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 الصغيرة وكذلك مستحلبات بيكرينغ. بناء على هذه المرونة والقدرة الموثوقة على الاستحلاب ، يتم استخدام المجانسات بالموجات فوق الصوتية (تسمى أحيانا المستحلبات بالموجات فوق الصوتية عند استخدامها للاستحلاب) على سبيل المثال ، في الصناعة الكيميائية والغذائية والصيدلانية والوقود لإنتاج مستحلبات مستقرة طويلة الأجل.
انقر على الروابط التالية لمعرفة المزيد عن مستحلبات النانو و مستحلبات بيكرينغ!
التشتت بالموجات فوق الصوتية
تكون 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 الجسيمات الأصغر والأكثر اتساقا ، سواء تم استهداف جزيئات ميكرون أو نانو كنتيجة للعملية. تعمل قوى القص التجويفية وتيارات السائل على تسريع الجسيمات بحيث تصطدم ببعضها البعض. يعرف هذا باسم التصادم بين الجسيمات. 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 التصادم بين الجسيمات بسرعات عالية جدا تصل إلى 280 م / ثانية ، فإن القوى العالية بشكل غير عادي تنطبق على الجسيمات ، والتي تتحطم بالتالي إلى أجزاء دقيقة. يمنح الاحتكاك والتآكل شظايا الجسيمات سطحا مصقولا وشكلا موحدا. إن الجمع بين قوى القص والتصادم بين الجسيمات يمنح التجانس والتشتت بالموجات فوق الصوتية الحافة المفيدة التي توفر معلقات وتشتتات غروانية متجانسة للغاية!
يصور تسلسل الصورة أدناه قوى التجويف للموجات فوق الصوتية على رقائق الجرافيت.
تسلسل عالي السرعة (من a إلى f) من الإطارات يوضح التقشير الميكانيكي للسونو لرقائق الجرافيت في الماء باستخدام UP200S ، الموجات فوق الصوتية 200W مع سونوترودي 3 ملم. تظهر الأسهم مكان الانقسام (التقشير) مع فقاعات التجويف التي تخترق الانقسام.
© تيورنينا وآخرون 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)
تشتت وتجانس المواد النانوية
بالنسبة لكل من المستحلبات والتشتت ، يعد تحضير الخلائط بحجم النانو مهمة صعبة. معظم تقنيات التجانس والمزج التقليدية مثل خلاطات الشفرات ومطاحن الخرز والمجانسات عالية الضغط والخلاطات الأخرى قادرة على إنتاج جزيئات بحجم ميكرون ، لكنها لا تستطيع كسر القطرات والمواد الصلبة بشكل موثوق وصولا إلى حجم النانو. هذا يرجع في الغالب إلى عدم كفاية الشدة. على سبيل المثال ، لا توفر خلاطات الشفرة قصا كافيا لكسر الجسيمات إلى حجم النانو. لا تستطيع مطاحن الخرز ، وهي نوع آخر من الخالط ، طحن المواد الصلبة بشكل موحد إلى حجم جسيم أدق من الخرزات (وسائط الطحن) نفسها. يبلغ متوسط حجم حبات الطحن التقليدية 1500 مم – 35000 ملم. مشكلة أخرى هي التلوث الناجم عن البلى في وسط الطحن. نظرا لأن 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 للتشتت النانوي ومستحلبات النانو في المختبر (R&D) ، والإعدادات التجريبية والصناعية.
تظهر المشتتات بالموجات فوق الصوتية توزيعا موحدا لحجم الجسيمات مع جزيئات مخفضة بشكل متجانس. تظهر المنحنيات توزيع جزيئات السيليكا قبل الموجات فوق الصوتية (المنحنى الأخضر) وبعد التشتت بالموجات فوق الصوتية (المنحنى الأحمر).
توسيع نطاق عمليات التجانس بالموجات فوق الصوتية
عند التوسع من الخالط بالموجات فوق الصوتية المختبر إلى الموجات فوق الصوتية التجريبية ، ومن نظام تجريبي إلى الخالط بالموجات فوق الصوتية للإنتاج على نطاق واسع ، يمكن تطبيق التوسع الخطي تماما! يتم الاحتفاظ بجميع معلمات العملية المهمة مثل السعة والضغط ودرجة الحرارة ووقت المعالجة ثابتة ، فقط مساحة سطح المسبار بالموجات فوق الصوتية والموجات فوق الصوتية كمحرض نشط للمسبار يتم تحجيمها إلى وحدات أكبر وأكثر قوة. تسمح قابلية التوسع الخطي لعمليات التجانس بالموجات فوق الصوتية بالحصول على نفس النتائج عالية الجودة في الإنتاج الكبير كما هو الحال في إعدادات المختبر والتجريبية.
العثور على الخالط بالموجات فوق الصوتية الأنسب لعمليتك!
Hielscher الفوق صوتيات هو شريكك منذ فترة طويلة من ذوي الخبرة للمجانسات بالموجات فوق الصوتية. يتم تصميم جميع الموجات فوق الصوتية Hielscher وتصنيعها واختبارها في مقرنا الرئيسي في ألمانيا قبل أن نشحنها لعملائنا في جميع أنحاء العالم. Hielscher المجانسات بالموجات فوق الصوتية هي أجهزة ذات جودة عالية تفحم من قبل الأداء العالي المستمر، والموثوقية، والمتانة، وسهولة الاستخدام. التطور التقني لتكنولوجيا التجانس بالموجات فوق الصوتية يعطي مستخدمي معدات Hielscher مزايا تنافسية، مما يجعلها رائدة في السوق في صناعتهم. مع مجموعة واسعة من المنتجات من المجانسات المختبرية ومقاعد البدلاء، والأنظمة التجريبية والمجانسات بالموجات فوق الصوتية الصناعية الكاملة للإنتاج التجاري، Hielscher لديه نظام خلط بالموجات فوق الصوتية المثالي لمتطلباتك. تسمح الملحقات المتشعبة بإعداد الخالط بالموجات فوق الصوتية المثالي – مطابقة الاحتياجات الفردية.
أخبرنا بمتطلبات ومواصفات العملية الخاصة بك – سوف نوصيك بكل سرور بالخالط بالموجات فوق الصوتية الأنسب والأكثر كفاءة لتطبيقك!
عالية الكفاءة باستخدام المجانسات بالموجات فوق الصوتية
نظرا لكفاءة العملية غير العادية، وتكاليف الاستثمار المعقولة، وكفاءة الطاقة العالية جدا وانخفاض تكاليف العمالة والصيانة، Hielscher المجانسات بالموجات فوق الصوتية تفوق تقنيات التجانس التقليدية ويحقق العائد على الاستثمار السريع (العائد على الاستثمار). في كثير من الأحيان ، يتم إطفاء الخالط 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. جميع الموجات فوق الصوتية Hielscher تسمح بالتحكم الدقيق في السعة. اعتمادا على هدف العملية ، يمكن ضبط سعة أقل لظروف المعالجة الأكثر اعتدالا أو يتم اختيار سعة عالية للحصول على نتائج تشتت أكثر تدميرا. يمكن للصوتيات الصناعية Hielscher تقديم سعات عالية جدا. يمكن تشغيل السعات التي تصل إلى 200 ميكرومتر بسهولة بشكل مستمر في عملية 24/7. للحصول على سعات أعلى ، تتوفر سونوتروديس بالموجات فوق الصوتية المخصصة.
متطلبات صيانة منخفضة للخالطات بالموجات فوق الصوتية
المجانسات بالموجات فوق الصوتية ليست سهلة التنظيف فقط لأن sonotrode والمفاعل هي المكونات الوحيدة التي هي الأجزاء الرطبة والحصول على اتصال مع المواد المصنعة. Sonotrode (المعروف أيضا باسم القرن بالموجات فوق الصوتية أو المسبار) والمفاعل مصنوعة من التيتانيوم والفولاذ المقاوم للصدأ ، على التوالي ولها هندسة نظيفة دون فتحات أو زوايا ميتة.
الجزء الوحيد الذي يخضع للبلى هو مسبار الموجات فوق الصوتية ، والذي يمكن استبداله دون تعطيل كبير للعملية. يتم تغيير sonotrode من الموجات فوق الصوتية مختبر في غضون حوالي 10 دقيقة, في حين أن تغيير sonotrode من الخالط بالموجات فوق الصوتية الصناعية قد يستغرق حوالي.30-45 دقيقة.
اتصل بنا الآن! سيسعد فريقنا ذو الخبرة الجيدة بتقديم المعلومات الفنية ومعالجة التوصيات ذات الصلة!
يمنحك الجدول أدناه مؤشرا على قدرة المعالجة التقريبية لأجهزة الموجات فوق الصوتية لدينا:
| حجم الدفعة | معدل التدفق | الأجهزة الموصى بها |
|---|---|---|
| 1 إلى 500 مل | 10 إلى 200 مل / دقيقة | UP100H |
| 10 إلى 2000 مل | 20 إلى 400 مل / دقيقة | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 إلى 20 لتر | 0.2 إلى 4 لتر / دقيقة | UIP2000hdT |
| 10 إلى 100 لتر | 2 إلى 10 لتر / دقيقة | UIP4000hdT |
| 0.3 إلى 60 لتر | 0.6 إلى 12 لتر / دقيقة | UIP6000hdT |
| ن.أ. | 10 إلى 100 لتر / دقيقة | UIP16000 |
| ن.أ. | أكبر | مجموعة من UIP16000 |
Hielscher Ultrasonics بتصنيع المجانسات بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء لخلط التطبيقات، والتشتت، والاستحلاب والاستخراج على المختبر، التجريبية والصناعية النطاق.
الأسئلة المتداولة حول المجانسات
- ما هو مبدأ عمل الخالط؟ يطبق الخالط قوى القص على السوائل والمعلقات والملاط. يقلل القص من حجم الجسيمات في المخاليط الصلبة والسائلة والسائلة وينتج توزيعات موحدة لحجم الجسيمات. يمكن أن تنتج المجانسات مستحلبات أو تشتتات مستقرة.
- ما هو مبدأ عملية التجانس؟ يتضمن المبدأ الأساسي للتجانس تطبيق القوة الميكانيكية ، مثل الاهتزاز بالموجات فوق الصوتية والتجويف على خليط غير متجانس لتكسير الجسيمات إلى حجم جيد بشكل موحد ، وتحقيق خليط ثابت ومستقر يمنع الانفصال بمرور الوقت.
- ما هو الغرض الأساسي من التجانس؟ الغرض الأساسي من التجانس هو تحسين استقرار واتساق المنتج عن طريق تقليل حجم الجسيمات. تعزز هذه العملية الخصائص الفيزيائية للخليط ، مثل اللزوجة والملمس ومدة الصلاحية ، مما يجعلها حاسمة في معالجة الأغذية والمستحضرات الصيدلانية ومستحضرات التجميل.
اقرأ المزيد عن مجانسات الغذاء بالموجات فوق الصوتية! - ما هو التجانس بالموجات فوق الصوتية؟ يستخدم التجانس بالموجات فوق الصوتية موجات صوتية عالية التردد للحث على التجويف في وسط سائل ، مما يؤدي إلى قوى قص شديدة تكسر الجسيمات على المستوى المجهري. هذه الطريقة فعالة بشكل خاص للاضطراب الخلوي وتشتت الجسيمات النانوية والاستحلاب.
- ما هو صوتنة للتجانس؟ يتضمن Sonication للتجانس تطبيق الطاقة فوق الصوتية على العينات لتحقيق خلط دقيق وموحد. هذه العملية فعالة لتشتيت واستحلاب وتقليل حجم الجسيمات داخل السائل ، وتستخدم على نطاق واسع في كل من السياقات البحثية والصناعية.
- ما هي 2 أنواع من طرق صوتنة؟ النوعان الأساسيان من طرق الصوتنة هما الصوتنة المباشرة وغير المباشرة. الصوتنة المباشرة ينطوي على غمر مسبار مباشرة في العينة، في حين يحدث صوتنة غير مباشرة في الحمام حيث يتم وضع العينات في حاوية مغمورة في سائل صديقة صوتنة. صوتنة مباشرة عادة ما تكون أكثر كثافة وأكثر فعالية للتجانس من صوتنة غير مباشرة.
الأدب / المراجع
- Karl A. Kusters, Sotiris E. Pratsinis, Steven G. Thoma, Douglas M. Smith (1994): Energy-size reduction laws for ultrasonic fragmentation. Powder Technology, Volume 80, Issue 3, 1994. 253-263.
- Ahmed Taha, Eman Ahmed, Amr Ismaiel, Muthupandian Ashokkumar, Xiaoyun Xu, Siyi Pan, Hao Hu (2020): Ultrasonic emulsification: An overview on the preparation of different emulsifiers-stabilized emulsions. Trends in Food Science & Technology Vol. 105, 2020. 363-377.
- Seyed Mohammad Mohsen Modarres-Gheisari, Roghayeh Gavagsaz-Ghoachani, Massoud Malaki, Pedram Safarpour, Majid Zandi (2019): Ultrasonic nano-emulsification – A review. Ultrasonics Sonochemistry Vol. 52, 2019. 88-105.
- Brad W. Zeiger; Kenneth S. Suslick (2011): Sonofragmentation of Molecular Crystals. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 37, 14530–14533.